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作 者:Wenjie Yu Chao Feng Ronghua Li Beibei Zhang Yanbo Li 余文杰;冯超;李荣华;张贝贝;李严波(电子科技大学基础与前沿研究院,四川成都611731;电子科技大学量子物理与光量子信息教育部重点实验室,四川成都611731)
机构地区:[1]Institute of Fundamental and Frontier Sciences,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,Sichuan,China [2]Key Laboratory of Quantum Physics and Photonic Quantum Information,Ministry of Education,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,Sichuan,China
出 处:《Chinese Journal of Catalysis》2025年第1期51-82,共32页催化学报(英文)
基 金:国家重点研发计划(2023YFA1507103);国家自然科学基金(22279013,22202031)。
摘 要:Harnessing solar energy for renewable fuel production through artificial photosynthesis offers an ideal solution to the current energy and environmental crises.Among various methods,photoelectrochemical(PEC)water splitting stands out as a promising approach for direct solar-driven hydrogen production.Enhancing the efficiency and stability of photoelectrodes is a key focus in PEC water-splitting research.Tantalum nitride(Ta_(3)N_(5)),with its suitable band gap and band-edge positions for PEC water splitting,has emerged as a highly promising photoanode material.This review begins by introducing the history and fundamental characteristics of Ta_(3)N_(5),emphasizing both its advantages and challenges.It then explores methods to improve light absorption efficiency,charge separation and transfer efficiency,surface reaction rate,and the stability of Ta_(3)N_(5) photoanodes.Additionally,the review discusses the progress of research on tandem PEC cells incorporating Ta_(3)N_(5) photoanodes.Finally,it looks ahead to future research directions for Ta_(3)N_(5) photoanodes.The strategic approach outlined in this review can also be applied to other photoelectrode materials,providing guidance for their development.面对全球能源危机与环境污染的双重挑战,利用人工光合作用通过太阳能生产可再生燃料被视为一种理想解决方案.其中,将太阳能转化为氢能被视为最有前景和有效的方法之一。在众多太阳能制氢技术中,光电化学(PEC)水分解技术因其绿色可持续和较高的能量转换效率备受关注.氮化钼(Ta_(3)N_(5))因具有合适的能带结构和优异的光吸收能力,成为PEC水分解领域极具发展前景的光阳极材料.然而,Ta_(3)N_(5)电荷分离与传输效率不足以及表面水氧化动力学缓慢等因素,限制了其实际应用.本文对Ta_(3)N_(5)在PEC水分解领域应用的最新研究进展进行了系统的总结和梳理.首先简要介绍了Ta_(3)N_(5)材料的研究历史与基本特性,为理解其在PEC水分解中应用潜力奠定了基础。随后,分析了限制Ta_(3)N_(5)光阳极PEC水分解效率的主要因素,包括载流子扩散长度有限、载流子复合、深能级缺陷、界面电荷传输阻碍及表面水氧化动力学缓慢等问题针对上述挑战,总结了形貌工程、缺陷工程、界面工程及助催化剂表面改性等策略.通过这些策略的协同作用,显著提升了Ta_(3)N_(5)光阳极的光吸收能力、电荷分离效率和表面水氧化动力学,从而提高了Ta_(3)N_(5)光阳极的能量转换效率.此外,表面自氧化是影响Ta_(3)N_(5)光阳极稳定性的主要问题.进一步讨论了在Ta_(3)N_(5)光阳极表面引入保护层,它们能够有效隔离H_(2)O和活性氧与Ta_(3)N_(5)的直接接触,有效缓解光腐蚀并提高光阳极的稳定性.此外,也综述了以Ta_(3)N_(5),光阳极为核心元件的无偏压辅助全解水串联电池的最新研究进展.最后,展望了Ta_(3)N_(5)光阳极未来的发展方向,提出通过减少其内部缺陷、优化界面电荷传输路径、提高表面助催化剂活性等手段,提升Ta3N光阳极的电荷转移效率并降低其起始电位.同时,强调了利用先进的原位分析技术对Ta_(3)N_(5)�
关 键 词:Photoelectrochemical water splitting Tantalum nitride Lightabsorption efficiency Charge separation and transfer EFFICIENCY Surfacereaction rate STABILITY
分 类 号:O57[理学—粒子物理与原子核物理]
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