以CdX(X=S,Se,Te)为吸光物质的新型太阳能产氢光电阴极构建及其作用机制研究

Hydrogen generation by photoelectrochemical (PEC) water splitting represents one of the most promising strategies for the utilization of solar energy. However, the low efficiency as well as the poor stability of the photocathode is the main bottle-neck for the development of PEC water splitting. From 2014, novel photocathodes using CdX(X=S, Se,Te) as the photosensitizer were reported, which provides new route for the preparation of robust and stable photocathode. However, due to the research is just beginning, the solar to hydrogen efficiency of these novel photocathodes still need to be increased further. As one of the pioneers for the CdX based PEC photocathode in the world, here we proposed a research strategy by finding efficient hole transport layer firstly, which is based on our rational analysis and experimental results. By the way of “adjustment, characterization and response”, different preparation and assembly methods for novel hole transport layer (nickel oxide, tin-doped indium oxide and graphene oxide), photosensitizer (CdX) and cocatalyst (metal phosphides and metal sulfides) will be developed and optimized. The relationship between the structure and performance and the matching conditions among different composition will be investigated in detail. The kinetics mechanism of photoexcited hole-electron pairs and the key factors for solar to hydrogen efficiency will be deeply studied. Based on these results, the performance limitation of photocathode will be greatly broken and the progress of photoelectrochemical overall water splitting would be increased remarkably.

光电化学分解水制备氢气是太阳能利用的理想方案之一，然而光电阴极效率低或者稳定性差，是目前限制发展的瓶颈问题。2014年以来，以CdX(X=S,Se,Te)为吸光材料的光电阴极的出现，为高性能光电阴极的构建提供了新的途径，但是由于研究刚起步、其光能利用效率尚需提升。作为国际上最早构建CdX(X=S, Se,Te)基光电阴极的研究者之一，我们在实验探索和理论剖析的基础上，提出了以高效空穴传导层的研制作为突破口的研究策略。通过“调控—表征—反馈”的路径，开展新型空穴传导层（氧化镍、氧化铟锡、氧化石墨烯)、光吸收材料(CdX）、助催化剂（金属磷化物、金属硫化物)的制备与组装，深入研究各组成结构与性能的关联及组成间匹配规律，并探究光生电荷产生、利用的动力学机制，力图揭示影响太阳能产氢性能的关键限制因素。我们的研究将力争突破光电阴极的性能限制，为有力推动光电化学全分解水进程做出贡献。

光电化学分解水制备氢气是太阳能利用的理想方案之一，然而光电阴极效率低或者稳定性差，是目前限制发展的瓶颈问题。2014年以来，以CdX(X=S,Se,Te)为吸光材料的光电阴极的出现，为高性能光电阴极的构建提供了新的途径，但是由于研究刚起步、其光能利用效率尚需提升。作为国际上最早构建CdX(X=S, Se,Te)基光电阴极的研究者之一，我们在实验探索和理论剖析的基础上，提出了以高效空穴传导层的研制作为突破口的研究策略。通过“调控—表征—反馈”的路径，开展新型空穴传导层、光吸收材料、助催化剂的制备与组装，深入研究各组成结构与性能的关联及组成间匹配规律，并探究光生电荷产生、利用的动力学机制，力图揭示影响太阳能产氢性能的关键限制因素。. 开发了氧化镍纳米线、氧化铟锡纳米颗粒、氯氧化铋微球三种新型光电阴极空穴传导层，研究了其构效关系，扩大了PEC空穴传导层的选择范围；发明了在硫化镉上光化学沉积磷化钴、硫化钴镍、Ni-Ni(OH)2、单原子镍等助催化剂的方法，并在小组前期研制C3N4光电阴极基础上，将光化学沉积助催化剂方法拓展到C3N4上，为光电阴极助催化剂提供了温和的无破坏制备新方法。. 研究了MoO3、Co3O4等材料作为空穴传导层的性能，研究了硫化镉、硒化镉、硫化铅、氧化亚铜、氧化铜、g-C3N4、CuBi2O4等材料作为光活性材料的性能，研究了光化学沉积的MoS2、NixP、NiS等材料作为助催化剂的性能，优化组合获得了NiO/CdS/NixP光电阴极、BiOCl/CuInS2/NiS光电阴极、单宁酸-钴络合物修饰的NiO/CuO/NixP光电阴极三种光电阴极组合，并与BiVO4/CoxO光电阳极构建的串联系统实现光电化学全解水。. 项目执行期内发表SCI论文12篇，其中高被引论文1篇，12篇论文已被他引约200次，获得授权发明专利5项。部分成果被吴骊珠院士、余家国院士、张弛院士等多个研究组在文章中较大篇幅正面介绍和评述。