Recent strategies to enhance the efficiency of hematite photoanodes in photoelectrochemical water splitting  

提高氧化铁光电催化分解水效率的策略进展

作　　者：Dinghua Zhou Ke Fan 周定华;范科(大连理工大学-瑞典皇家工学院分子器件联合研究中心,能源研究院,辽宁大连116024)

机构地区：[1]State Key Laboratory of Fine Chemicals,Institute of Artificial Photosynthesis,DUT-KTH Joint Education and Research Centre on Molecular Devices,Institute for Energy Science and Technology,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning,China

出　　处：《Chinese Journal of Catalysis》2021年第6期904-919,共16页催化学报（英文）

基　　金：国家自然科学基金(51772234);大连理工大学(DUT19RC(3)063).

摘　　要：Photoelectrochemical(PEC)water splitting is one of the most promising approaches toward achieving the conversion of solar energy to hydrogen.Hematite is a widely applied photoanode material in PEC water splitting because of its appropriate band structure,non-toxicity,high stability,and low cost.Nevertheless,its relatively low photochemical conversion efficiency limits its application,and enhancing its PEC water splitting efficiency remains a challenge.Consequently,increasing efforts have been rendered toward improving the performance of hematite photoanodes.The entire PEC water splitting efficiency typically includes three parts:the photon absorption efficiency,the separation efficiency of the semiconductor bulk,and the surface injection efficiency.This review briefly discusses the recent advances in studies on hematite photoanodes for water splitting,and through the enhancement of the three above-mentioned efficiencies,the corresponding strategies toward improving the PEC performance of hematite are comprehensively discussed and summarized.为了解决能源危机与环境污染问题,发展一种可再生的清洁能源至关重要.太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源,而氢气是一种良好的能源载体.利用太阳能光电催化水分解制氢,是一项有望能够解决能源与环境问题的技术,具有很大的应用前景.其中,氧化铁因为具有合适的能带位置与带隙、良好的稳定性与廉价无毒等优点,成为一种理想的光阳极材料.但是,在实际的测试中,氧化铁仅仅只能得到一个较低的光电转换效率,这可能是因为其较短的空穴扩散距离、较低的电导率以及极度缓慢的水氧化反应动力学所致.整个光电催化水氧化可分为三个过程,即光吸收过程、电荷分离过程以及表面空穴注入过程.这三个过程的效率共同决定了器件的太阳能转化效率.鉴于此,本文将从如何提高这三个效率的角度出发,总结近期研究报道中提高氧化铁光电催化分解水效率的一些策略.光吸收过程是指半导体中价带的电子在吸收具有一定能量的光子后发生跃迁,产生空穴-电子对的过程.其光子的损失主要来源于光的反射、透射以及半导体吸收边的限制.提高光吸收效率的主要策略包括制备具有特定纳米结构的氧化铁电极、利用表面等离子体共振效应以及组成双光吸收系统和掺杂等.电荷分离过程指的是受光激发产生的空穴电子对,在内建电场的作用下发生电荷分离,即光生空穴流向电极表面,光生电子流向半导体内部并从外电路导出.电荷分离效率的损失主要来源于光生载流子在迁移过程中的复合.因此,为了提高电荷分离效率,常见的策略是提高载流子在电荷分离过程中的复合时间τ_(1)和减少电荷迁移到表面(空穴)或者基底(电子)的时间τ_(2).具体的策略包括制备特定的纳米结构(缩短体表相距离,减少τ_(2))、构建异质结(增强能带弯曲,提高τ_(1)和减少τ_(2))、掺杂(减少τ_

关 键 词：HEMATITE Photon absorption efficiency Charge separation efficiency Surface injection efficiency 

分 类 号：TQ116.2[化学工程—无机化工] TQ426