Amorphous TiO_2-modified CuBi_2O_4 Photocathode with enhanced photoelectrochemical hydrogen production activity  

非晶TiO_2修饰CuBi_2O_4光阴极增强其光电化学产氢活性（英文）

作　　者：Xianglin Zhu Zihan Guan Peng Wang Qianqian Zhang Ying Dai Baibiao Huang 朱相林;管子涵;王朋;张倩倩;戴瑛;黄柏标(山东大学晶体材料国家重点实验室,山东济南250100;山东大学物理学院,山东济南250100)

机构地区：[1]State Key Laboratory of Crystal Materials,Shandong University,Jinan 250100,Shandong,China [2]School of Physics,Shandong University,Jinan 250100,Shandong,China

出　　处：《Chinese Journal of Catalysis》2018年第10期1704-1710,共7页催化学报（英文）

基　　金：the National Natural Science Foundation of China(51602179,21333006,21573135,11374190);the National Basic Research Program of China(973 Program,2013CB632401)~~

摘　　要：In this study,CuBi2O4 photocathodes were prepared using a simple electrodeposition method for photoelectrochemical(PEC)hydrogen production.The prepared photocathodes were modified with amorphous TiO2 and a Pt co‐catalyst,which resulted in the formation of CuBi2O4/TiO2 p‐n heterojunctions,and enhanced the activities of the as‐prepared photocathodes.The novel Pt/TiO2/CuBi2O4 photocathode exhibited a photocurrent of 0.35 mA/cm2 at 0.60 V vs.Reversible Hydrogen Electrode(RHE),which was nearly twice that of the Pt/CuBi2O4 photocathode.The present study provides a facile method for increasing the efficiency of photocathodes and provides meaningful guidance for the preparation of high‐performance CuBi2O4 photocathodes.光催化作为太阳能利用领域的研究热点引起了广泛的关注.其中,光电化学技术能够通过分解水提供清洁的氢能源,因此被认为是一种潜在的新能源制造方式.在光电化学分解水产氢的过程中,最重要的是高效光电极的制备.一系列n型半导体材料已被广泛地报道并用作光阳极,如BiVO_4,ZnO,Fe_2O_3等.然而对于光阴极材料,其可选择性则较少.CuBi_2O_4是一种天然矿物,具有廉价易得以及化学性质稳定的特性,而且是一种p型半导体材料,因此能够用于制备光阴极;另外因为其强的可见光响应(1.70 eV),所以具有广泛的应用前景.目前对于CuBi_2O_4光阴极研究主要集中在合成和理论计算方面,而对于如何促进界面处的载流子分离研究较少.本文通过一种简单的电沉积方法成功制备出CuBi_2O_4光阴极,然后利用非晶TiO_2和助催化剂Pt进行修饰后将其用于光电化学产氢.由于形成了CuBi_2O_4/TiO_2 p-n结,因此其光阴极活性得到增强.新的Pt/TiO2/CuBi_2O_4光阴极在0.60V偏压处的光电流为0.35 mA/cm^2,其数值约为Pt/CuBi_2O_4光阴极的两倍.XRD结果表明,我们制备的CuBi_2O_4为纯相且结晶性较好,其表面修饰的TiO_2为非晶相的.SEM结果表明,CuBi_2O_4电极层由100-150nm的颗粒构成.紫外-可见吸收光谱表明,制备的CuBi_2O_4光电极拥有良好的可见光吸收性质,而且TiO_2修饰未对CuBi_2O_4的光吸收产生明显的影响.XPS结果表明,修饰TiO_2并未对CuBi_2O_4电极造成成分上的破坏.光电化学测试表明,修饰TiO_2层厚度和结晶性会影响光电极的最终活性.修饰四层TiO_2和退火200℃的样品具有最好的活性.另外稳定性测试也表明,修饰非晶TiO_2的CuBi_2O_4光阴极具有良好的稳定性.在IPCE测试中,Pt/TiO_2/CuBi_2O_4光阴极在其光响应范围内均比Pt/CuBi_2O_4光阴极表现出更高的效率.阻抗结果测试中Pt/TiO_2/CuBi_2O_4光阴极具有更小的阻抗,这表明其载流子传输更加高效.

关 键 词：Photoelectrochemical hydrogen production CuBi2O4 Amorphous TiO2 p‐n heterojunction Carriers’separation 

分 类 号：O643.36[理学—物理化学]