GaP/GaPN核殼納米線陣列修飾的硅光陰極的光電化學制氫反應

摘要：能夠大規模同時提升電極的催化效率和穩定性對光電化學分解水系統的開發具有重要意義.硅是一種地球儲量豐富且成熟的工業材料,由于其合適的帶隙(1.1 eV)和優異的導電性,已被廣泛用于光電化學制氫反應.然而,緩慢的表面催化反應和在電解液中的不穩定性限制了其在太陽能制氫中的實際應用.III-IV族半導體材料也具有較高的載流子傳輸特性且被廣泛用于光電器件.其中,GaP的直接帶隙和間接帶隙分別為2.78和2.26 eV,可與硅組成串聯型光電極用于光電化學分解水.然而,GaP的光腐蝕電位位于禁帶中,很容易在光電催化過程中發生光腐蝕而導致性能大幅下降.本文報道了一種新型的GaP/GaPN核/殼納米線修飾的p型硅(p-Si)串聯型光陰極,同未修飾的p-Si相比,其光電化學制氫性能更高.這可歸因于以下幾點:(1)p-Si和GaP納米線之間形成的p-n結促進了電荷分離;(2)GaPN相對于GaP具有更低的導帶邊位置,進一步促進了光生電子向電極表面的轉移;(3)納米線結構既縮短了光生載流子的收集距離,又增加了比表面積,從而加快了表面反應動力學.此外,在GaP中引入氮元素還提高了體系的光吸收和穩定性.我們所提出的高效、簡便的改進策略可應用于其他的太陽能轉換體系.利用簡單的化學氣相沉積法制備GaP/GaPN核/殼納米線修飾的p-Si光陰極.首先在p-Si襯底上利用Au納米顆粒作為催化劑生長GaP納米線;然后,去除Au催化劑,并在氨氣中退火便形成了GaP/GaPN核殼納米線.高分辨透射電子顯微鏡,拉曼光譜和X射線光電子譜的表征結果均證實了氨氣退火使得GaP納米線表面形成了GaPN的薄殼層,同時證明了GaP/GaPN核殼納米線具有可調的核殼結構.在模擬太陽光下作為光陰極用于光解水制氫反應時,GaP/GaPN核殼納米線修飾的p-Si光陰極的起始電位為~0.14 V,而未修飾的p-Si電極的起始電位大約在?0.77 V.而且,GaP/GaPN核/?