WO3基阳极半导体原子尺度表界面调控及光电催化制氢研究

Photoelectrochemical (PEC) water splitting is a feasible process to realize the sustainable production of hydrogen energy. But, the conversion efficiency of solar-to-hydrogen is affected by the charge loss at the surface and interfaces of photoanodes, which should be addressed by the surface/interface modifications. Thus, this project will fabricate WO3-based photoanodes and do surface/interface atomic modifications depending on the different stability properties of WO3 when placed in different pH solution. The surface/interface modifications could eliminate the barriers, facilitate the charge transport at the surface/interface and finally improve the solar-to-hydrogen efficiency. The research contents have three parts: 1. Surface atomic anchoring method will be employed to do the surface modification of WO3, investigating the affecting of atom species and numbers for PEC water splitting ability; 2. WO3-based heterojunction photoanodes will be constructed, investigating the constructing process and the affecting of interface thickness for the PEC performance; 3. Charge transport efficiency will be calculated to find the reason for improved PEC performance of WO3-based photoanodes, investigating the water oxidation process with different surface/interface modification. This project will develop new method for the surface/interface atomic modification, providing guidance for PEC photoanodes activation and efficient hydrogen production.

光电催化分解水是实现氢能源绿色可持续转化的有效途径，但阳极半导体表界面处的电荷损失导致其光电催化制氢效率低下，急需通过表界面调控予以改善。基于此，本项目拟制备WO3基阳极半导体，利用其不同酸碱环境下稳定性的差异操控其表面原子，通过原子尺度调控消除其表界面处势垒、加速电荷传输，从而提高光电制氢效率。研究内容包括：（1）利用WO3表面原子的锚定，研究不同原子类型和数量对表面反应活性的影响；（2）构建WO3基异质结，研究异质结的构建及界面对光电催化制氢效率的影响；（3）量化表界面电荷传输效率，分析WO3基半导体光电催化性能提升的原因，研究表界面调控下相应的水氧化反应机制。本项目将发展原子尺度表界面调控的新方法，为光电催化制氢系统阳极半导体的有效活化和高效应用提供新的思路和指引。

光电催化分解水是实现氢能源绿色可持续转化的有效途径，但阳极半导体表界面处的电荷损失导致其光电催化制氢效率低下，急需通过表界面调控予以改善。基于此，本项目发展了多种半导体催化剂的制备方法及表界面调控方法，提高光电制氢效率，研究内容包括：（1）WO3等阳极半导体的制备及其性能调控；（2）催化剂表界面原子尺度改性及其催化性能测试；（3）拓展表界面改性手段，构建多种复合结构催化剂。研究团队在进行包括WO3半导体在内的多种光、电催化剂材料制备的同时，利用高效合成、湿法处理以及原位生长等方法，对催化剂材料的表界面物理化学性质进行改性，将其应用于光、电催化制氢及相关催化研究中，获得了高效的催化转化效率，并利用原子力测试平台进行原位测试，验证常规II型及Z型异质结的成功构建，为太阳能转化制氢系统中阳极半导体的有效活化和高效应用提供技术手段和理论指导。研究团队依托国自然青年基金已发表8篇SCI论文，包括中科院一区4篇、二区2篇；完成4项发明专利申请，其中授权3项；参加3人次学术会议；指导2名客座硕士研究生毕业。