《氧化物光阳极可控合成及其在光电化学转化中构效关系的研究》

奖项类别：江苏省高校科学研究成果奖三等奖

技术简介：

半导体光阳极是光电化学转化技术整体效率的关键，其主要作用是捕获太阳光以产生、分离并传输载流子到半导体/水溶液界面，催化水的还原和氧化反应产生氧气分子，因此选择理想的半导体光阳极材料显得极为重要。能够作为光阳极的材料需要同时满足以下几个特点：（1）合适的能带位置；（2）可见光利用率高；（3）在光电分解水的环境中稳定。然而，现有光阳极材料中，普遍存在着带隙过大、可见光利用率低、光腐蚀现象严重或稳定性差等弊端。因此，亟需研发具有高效光电转化效率且性能稳定的新型光阳极材料及表面改性技术。

本项目在国际自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省材料表面科学与技术重点实验室开放课题等项目的资助下，近年来主要研究金属氧化物半导体光阳极材料的制备、性质及作为高效光电极材料在光电转化及传感器领域中的应用，通过电化学沉积等方法实现阳离子掺杂、异质结构建及助催化剂修饰等的有效控制。对光阳极材料的缺陷结构进行调控、提升吸光能力、促进载流子分离传输及提升表面反应动力学等，从而进一步实现更高的光电转化反应活性，已取得了一些成果：

1.提出了一系列元素掺杂金属氧化物光阳极材料的方法。通过将非金属元素P及金属元素Mo、Ti等对光阳极材料进行掺杂，研究材料结构和载流子浓度、分离等性质的影响。创新性地通过一步热处理法，结合对热处理工艺的研究，得到光电转换效率提升三倍的氧化铁光阳极材料；同时，通过磷酸盐处理的方法，得到磷掺杂氧化铁光阳极。对比不同类型元素掺杂，研究了金属氧化物光阳极的掺杂工艺对结构及性能的影响。该工作拓展了光阳极表面改性技术，极大地提升了光电化学效率。

2.构筑两种或多种半导体材料构建异质结光阳极材料，调控光阳极光响应及载流子分离和传输能力。为了提升二氧化钛光阳极的光吸收范围和抑制载流子复合，本项目创新性地通过高温气相沉积法在二氧化钛纳米管表面生长一层氮化碳材料，获得了g-C3N4/TNTAs核壳结构异质结光阳极材料，其光转化活性最高可达0.25%；另外，首次将MIL-101结构通过水热合成方法与钒酸铋光阳极材料结合，可显著提升光阳极可见光利用率和光电转化效率，最高达0.76%。

3.系统研究合成方法及热处理方式对结构和形貌的调控，探究了材料表面态和光电转化活性的关系。对比研究了水热合成、阴极及阳极电化学沉积的方法合成氧化铁光阳极材料，研究了不同合成方法对氧化铁材料形貌和结构的调控机制，建立了光阳极材料表面态与光电转化活性之间的关系；通过电化学沉积及水热合成方法在钒酸铋表面修饰超薄NiOOH，对比了不同制备助催化剂工艺对于光阳极性能的影响，系统研究了相关催化机制。

4.构筑光阳极结构模型，建立光电转化反应过程及传感器的构效关系。结合一系列的表征手段，研究了光阳极异质结结构、元素掺杂形式、光阳极形貌控制及表面态性质等对于光阳极材料光电转化活性的作用机制。提出了表面缺陷态对于光阳极材料载流子传输、表面氧化反应等影响机制。

本项目主要来源于国家自然科学基金2项、江苏省自然科学基金2项。发表ESI论文30余篇，其中二区以上论文17篇，所选的10篇代表作论文分别发表在包括“ChemicalEngineering Journal（影响因子10.652）”,“Nano-MicroLetters（影响因子12.264）”,“ElectrochemicaActa（影响因子6.215）”,"Biosensorsand Bioelectronics（影响因子10.257）,”“EnergyTechnology（影响因子3.404）”等国内/国际高水平SCI期刊。该10篇论文自2018年以来被SCI期刊引用160余次，单篇论文SCI他引70余次，其成果受到国际、国内同行广泛好评和重视；多次参加国内会议并作报告，授权发明专利10多项，培养在读博士生3名，硕士生15名，毕业博士生1名，硕士生10名。

研发人员：刘长海