清华大学材料学院朱宏伟

zhongyu

窄带隙硒化锑薄膜光阴极高效光解水制氢

将自然界“取之不尽，用之不竭”的太阳能通过光电催化分解水转化为氢能不仅能实现对太阳能的高效存储，解决太阳能昼夜间歇及能量密度低等缺点，同时能获得清洁的氢燃料（反应产物为无污染的水）与化工原料（如氨的合成等）。研究开发高效、稳定、廉价及具有宽光谱太阳光响应的光电极新材料是光电催化分解水制氢的核心。

近日，清华大学的朱宏伟教授团队与合作者通过设计硒化锑（Sb2Se3）窄带隙光阴极，实现了具有近红外太阳光响应的光电催化分解水制氢。他们通过简单的热蒸镀（以商品化的硒化锑粉体为原料）及中低温退火（含硒气氛中400 ℃退火）的方法，实现了窄带隙硒化锑多晶薄膜光阴极的大面积（约20 cm2）可控制备；通过引入n型CdS/TiO2双改性层（构建p-n异质结及光化学腐蚀保护层）与Pt纳米颗粒（析氢催化剂）进行表面改性，制备了Sb2Se3(Se)/CdS/TiO2/Pt复合光阴极，在接近中性的缓冲溶液及模拟太阳光的条件下，获得了约-8.6 mA/cm2（0 VRHE）的光电流、0.43 VRHE的起始电压和10 h的稳定性以及接近1040 nm的可见光-近红外响应。

该研究结果为构建高效、稳定及廉价的双电极串叠光电化学池（由宽带隙光阳极与窄带隙光阴极组成）提供了极具应用前景的窄带隙光阴极新材料。同时该光阴极的设计思路将对研究开发其他硫硒化物光阴极提供有价值的参考。相关研究工作近期发表在ACS Nano上，通讯作者是清华大学材料学院的朱宏伟教授，第一作者是清华大学材料学院的博士后张礼，主要合作者包括电子科技大学的李严波教授、多伦多大学的钟苗博士后和中国科学院大连化学物理研究所的章福祥研究员等。该研究工作获得国家自然科学基金和博士后基金的资助。

该论文作者为：Li Zhang, Yanbo Li, Changli Li, Qiao Chen, Zhen Zhen, Xin Jiang, Miao Zhong, Fuxiang Zhang, Hongwei Zhu

Scalable Low-Band-Gap Sb2Se3Thin-Film Photocathodes for Efficient Visible–Near-Infrared Solar Hydrogen Evolution

ACS Nano, 2017, 11, 12753, DOI: 10.1021/acsnano.7b07512