光电催化分解水和还原CO 2 研究进展
发布时间：2021-10-25 18:48
介绍了光电催化（PEC）分解水和还原CO2的基本原理、研究进展。探讨了提高PEC效率的关键策略,主要包括通过能带调控、形貌控制和敏化提高光吸收,通过助催化剂促进表面反应,以及通过构建局部偶极或异质电场、形貌调控和界面修饰促进电荷分离与传输等。
【文章来源】：科技导报. 2020,38(23)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
PEC分解水示意
PEC体系具有独特的优势：（1）电极/溶液界面处的电场可促进光生电荷分离，使光生电荷形成单向迁移，降低电荷复合；（2）可以通过2个电极间电势差或外加偏压辅助电荷分离，使很多热力学上不满足分解水（或还原CO2）的材料在偏压辅助下可用于PEC体系；（3）氧化和还原反应在空间上分离，可通过离子传导膜隔开，氧化和还原产物分别在阳极和阴极上析出，避免了逆反应和产物的后续分离。此外，还可将光伏电池和光电极材料通过欧姆接触连接（图2(a）和（b）），利用光伏电池产生的光生电压辅助PEC反应。也可将光伏电池与电催化剂直接通过欧姆接触连接，太阳能发电耦合电催化水分解反应（图2(c）），这种体系本质上不是光电催化，但是仍可看作是太阳能-化学能转化的过程。叠层Si电池和Co/Ni基电催化剂耦合体系太阳能转化为氢能效率（STH）可达16%[6]；利用III-V族Ga In As/Ga In P光伏-光阴极叠层吸光结构，用Ru Ox和Rh分别作为水氧化和质子还原助催化剂，STH可达19.3%[7]。光伏电池辅助的体系效率较高，但是材料通常不稳定且环境不友好，成本也比较高，因此规模化应用仍有很多问题。2 PEC体系重要参数和提升性能的策略
光生载流子从产生到参与表面反应，必须经历多区域、多种形式的分离和传输过程，才能避免被复合。电荷分离效率是影响PEC效率的关键因素。n型半导体与电解液接触时，在暗态平衡条件下在近表面形成空间电荷层，表面能级向上弯曲，形成从半导体内部指向表界面的内建电场（Ein）（图5）。半导体受光激发产生光生电子-空穴对，开路条件下能级弯曲程度减少，持续光照时电子-空穴的产生与复合将处于动态平衡，空穴的准费米能级向下移动产生光生电压（Vph）。当光阳极与对电极构成回路并施加一定正电位时，光生空穴迁移至阳极表面，从溶液中捕获电子，发生氧化反应；电子迁移至对电极，发生还原反应，光生电荷在外电路的流动形成光电流。有效的电荷分离需要足够的驱动力。例如，n型半导体耗尽层（depletion region）内存在内建电场，电荷复合概率很低。只有在近表面处、空间电荷层厚度dsc和扩散长度Ln范围内的光生电荷才能发生有效分离。外加电位的变化，主要改变耗尽层能级弯曲的程度，进而影响半导体表面费米能级位置和载流子密度，相当于直接引入了电荷分离和传输的驱动力。因此，适当的外加偏压可以促进电荷分离[25]。为了促进电荷分离和传输，可以通过元素掺杂，构建复合电极，表界面调控等策略。2.3.1 构建局部电场
本文编号：3457982
【文章来源】：科技导报. 2020,38(23)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
PEC分解水示意
PEC体系具有独特的优势：（1）电极/溶液界面处的电场可促进光生电荷分离，使光生电荷形成单向迁移，降低电荷复合；（2）可以通过2个电极间电势差或外加偏压辅助电荷分离，使很多热力学上不满足分解水（或还原CO2）的材料在偏压辅助下可用于PEC体系；（3）氧化和还原反应在空间上分离，可通过离子传导膜隔开，氧化和还原产物分别在阳极和阴极上析出，避免了逆反应和产物的后续分离。此外，还可将光伏电池和光电极材料通过欧姆接触连接（图2(a）和（b）），利用光伏电池产生的光生电压辅助PEC反应。也可将光伏电池与电催化剂直接通过欧姆接触连接，太阳能发电耦合电催化水分解反应（图2(c）），这种体系本质上不是光电催化，但是仍可看作是太阳能-化学能转化的过程。叠层Si电池和Co/Ni基电催化剂耦合体系太阳能转化为氢能效率（STH）可达16%[6]；利用III-V族Ga In As/Ga In P光伏-光阴极叠层吸光结构，用Ru Ox和Rh分别作为水氧化和质子还原助催化剂，STH可达19.3%[7]。光伏电池辅助的体系效率较高，但是材料通常不稳定且环境不友好，成本也比较高，因此规模化应用仍有很多问题。2 PEC体系重要参数和提升性能的策略
光生载流子从产生到参与表面反应，必须经历多区域、多种形式的分离和传输过程，才能避免被复合。电荷分离效率是影响PEC效率的关键因素。n型半导体与电解液接触时，在暗态平衡条件下在近表面形成空间电荷层，表面能级向上弯曲，形成从半导体内部指向表界面的内建电场（Ein）（图5）。半导体受光激发产生光生电子-空穴对，开路条件下能级弯曲程度减少，持续光照时电子-空穴的产生与复合将处于动态平衡，空穴的准费米能级向下移动产生光生电压（Vph）。当光阳极与对电极构成回路并施加一定正电位时，光生空穴迁移至阳极表面，从溶液中捕获电子，发生氧化反应；电子迁移至对电极，发生还原反应，光生电荷在外电路的流动形成光电流。有效的电荷分离需要足够的驱动力。例如，n型半导体耗尽层（depletion region）内存在内建电场，电荷复合概率很低。只有在近表面处、空间电荷层厚度dsc和扩散长度Ln范围内的光生电荷才能发生有效分离。外加电位的变化，主要改变耗尽层能级弯曲的程度，进而影响半导体表面费米能级位置和载流子密度，相当于直接引入了电荷分离和传输的驱动力。因此，适当的外加偏压可以促进电荷分离[25]。为了促进电荷分离和传输，可以通过元素掺杂，构建复合电极，表界面调控等策略。2.3.1 构建局部电场
本文编号：3457982
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