界面表面修饰In2S3(SnS2)纳米片阵列光阳极的构建及其光电化学分解水性能研究

Aiming at the problems in the process of the light absorption, photo-generated charge carriers separation, transportation and surface-interface reaction of the traditional two-dimensional nanosheet planar photoanode structure, a new research idea is provided for respective construction of interface-surface decorated vertically aligned In2S3 and SnS2 composite photoanode light-trapping nanostructures in order to greatly improve the light capture, utilization and reaction efficiency. The effort will be devoted to the exploration of effective composite form and the controllable preparation of TiO2 based back contact hole-blocking layer, localized surface plasmon effect based Au and Ag NPs, and OER co-catalyst CoP NPs, aiming to achieve effective regulation of the micro-morphology and photo-generated charge carriers and obtain new strategies and methods for interface-surface regulation. The key factors which influence the light absorption, carriers generation, recombination, separation and their lifetime will be revealed by stable and femtosecond time-resolved spectra in order to obtain the relations among the photocurrent response, microstructures and composites. Besides, efficient composite photoanode systems for photoelectrochemical water splitting will be obtained based on the investigation on the composite photoanode/electrolyte interface OER synergistic effect mechanism. The results of this research will be of great significance for the applied foundational research of two-dimensional nanosheet photoanode and the development of new energy technologies.

针对传统二维纳米片平面光阳极结构在光吸收、光生载流子的分离、传导和表面界面反应过程中存在的诸多弊端，提出分别构建界面表面修饰In2S3、SnS2纳米片阵列复合光阳极陷光结构，旨在实现光能高效捕获-有效利用-快速反应。重点探索“Back contact”结构TiO2空穴阻挡层、基于局域表面等离子体效应贵金属Au、Ag纳米颗粒、OER助催化剂CoP纳米颗粒的复合模式及可控制备途径，实现对体系微观形貌、界面表面光生电荷的调控，掌握界面表面调控的新策略和新方法。借助稳态光谱和飞秒时间分辨光谱，揭示影响材料光吸收、载流子产生、复合与分离及其寿命的关键因素，获得光电流响应与微观结构、组成的内在联系。通过研究复合光阳极/电解液界面OER催化反应的协同作用机制，获得高效光电化学分解水光阳极体系。本研究对基于二维纳米片光阳极的应用基础研究和新能源技术的发展具有重要意义。

本项目围绕In2S3、SnS2基纳米片光电极的制备及其性能展开，将其应用于太阳能光电化学分解水、环境催化等领域，取得了一系列丰硕的研究成果。获得的主要研究结果有：（1）Sb2S3/In2S3、ReS2/In2S3、SnS@In2S3等异质结构均可形成直接Z型异质结，可以有效促进光生载流子的分离和传输，同时最大限度保留光电极的氧化还原能力。（2）Yb3+/Tm3+共掺β-In2S3光电极可以实现光电化学性能的显著提升，这是基于半导体敏化上转换及电子捕获能级的协同效用，从而高效抑制电子-空穴对的复合。（3）SnS2纳米片阵列光电极较纳米片平面光电极结构具有显著优异的光生载流子传输特性，具有更小的电荷转移阻抗。将SnS2纳米片阵列光电极先经Na2SO4溶液浸泡预处理，再经高温煅烧可制备得到导电类型可调的高纯SnS光电极，这是由于Na+吸附到二维纳米片边缘形成悬挂键吸附，对S2-起到一个保护作用，从而减少S空位的产生。（4）0D/2D SnO2/SnS2、3D/2D Sb2S3/SnS2、1D/2D Sb2Se3/SnS2等多种不同维度的SnS2基异质结对于促进光生载流子的分离和传输均有显著效果。尤其是1D/2D Sb2Se3/SnS2这种一维结构可以为光生载流子的传输提供高效通道，此外其表面修饰的空穴储存层水铁矿（Fh）可以快速捕获空穴防止其与光生电子复合，同时促进光生电子向光电极表面迁移。此外在本项目的支持下，课题组在新颖的金属硒硫化物光电极的合成探索及性能研究等方面也取得了系列丰硕成果。本项目对基于二维纳米片光电极的应用基础研究和新能源技术的发展具有重要意义。