大連化物所硅基材料用于光電化學分解水研究獲新進展

　　近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室、潔凈能源國家實驗室（籌）李燦團隊在硅基半導體材料用于光電化學分解水的光陽極研究中取得新進展，發現了單晶硅基光電極中的界面施主態缺陷能級是制約光電極效率的因素之一，成功對異質結的界面能帶結構進行了精細調控，有效提高光電極的電荷分離及水氧化效率。相關研究結果以全文的形式發表在《美國化學會會志》上（Tingting Yao, Can Li, et al, J. Am. Chem. Soc., 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b07188）。

　　太陽能催化水分解反應是未來解決能源問題和環境污染的理想途徑之一。半導體基光（電）催化劑中，光生載流子被有效分離和遷移至光催化劑表面參與水分解反應，是提高光催化效率的關鍵。李燦團隊長期致力于解決這一關鍵問題，相繼在國際上提出了“異質結”（J. Am. Chem. Soc., 2008, DOI: 10.1021/ja8007825）、“異相結”（Angew. Chem. Int. Ed., 2012, DOI: 10.1002/anie.201207554）和“晶面間電荷分離”（Nat. Commun., 2013, DOI:10.1038/ncomms2401）等策略來促進光生電荷分離。然而，由于電荷轉移主要發生在結界面上，光電極的光伏特性往往與界面能帶結構和性質緊密相關。但是截至目前，關于電荷在硅基光電極界面能級上的分離和傳輸機理并不明確。

　　在本工作中，研究人員發現存在于n-Si/ITO肖特基結界面上的施主態能級阻礙了光生空穴抵達電極表面參與氧化反應，并確認了該施主態缺陷的能級位置；在n-Si和ITO之間引入薄層TiOx，并對其離散能級進行精細調控，有效地減少了界面施主態能級，并實現n-Si/TiOx/ITO肖特基勢壘高度近理論值，從而極大地提高了光生電荷的分離和傳遞效率。其次，研究還證實了表面負載型NiOOH的雙重角色，一方面作為傳統認知的水氧化催化劑促進光生電荷的注入效率；另一方面修飾了該肖特基電極的表面功函，增加了勢壘高度和內建電場強度，使可獲得的表面光電壓額外增加到215%。將n-Si/TiOx/ITO/NiOOH光電極水氧化反應的起始電位從文獻報道的約1.1-1.2V降低至0.9V，為目前文獻報道的最低值。同時在一個較寬的電極電位下實現了光生電荷注入效率大于90%以及電荷分離效率接近100%。該研究結果不僅適用于硅基光陽極，還可有望拓展應用至其他半導體基光電器件的制備中。本項工作也是繼該團隊非晶硅的相關研究后（ChemSusChem, 2015, DOI: 10.1002/cssc.201501004）在單晶硅用于光電化學分解水方面取得的新進展。

　　該工作得到了科技部“973”項目、國家自然科學基金和教育部能源材料化學協同創新中心(iChEM)的資助。