纳米多孔硅基光电极的效率与稳定的去耦合作用研究

The solar-to-fuel, especially hydrogen (H2), can directly resolve the environmental issue and energy crisis, realize the tasks of energy-saving emission reduction and low-carbon economy, and meet the important strategic plan of the national future energy systems. The design and preparation of highly efficient Si-based photoelectrodes with metal-insulator-semiconductor structure is a feasible way for water splitting. But there are still some problems in Si-based materials, like a trade-off between efficiency and stability. In this project, Si nanoporous materials with metal-insulator-semiconductor structure will be fabricated as photoelectrodes. To establish the basis for popularizing Si-based materials in the application of photoelectrochemical water splitting and reveal the decoupling mechanism between efficiency and stability, the research involves the selection and improvement of transition metal oxides as the protective layer via both using experimental methods (e.g. preparing nanoscale materials, constructing multiple-scale defects and analyzing the reaction in situ) and numerical simulation. The proposed project can answer the issues of fundamental science for photoelectrochemical water splitting behaviors of Si-based materials and make an important contribution to promoting the clean energy yielding and relieving the global warming.

将太阳能转化为化学燃料，尤其是氢能，可直接应对潜在的环境问题和能源危机，对节能减排和低碳经济具有推动作用，符合国家对未来能源体系的重要战略部署。设计和制备高性能金属-绝缘体-半导体结构的Si基光电极分解水是一种极有效策略，但存在光电转化效率和电极使用寿命相互制约的问题。本项目拟构筑金属-绝缘体-半导体结构的纳米多孔Si基材料作为光电极，以过渡金属氧化物保护层为研究对象，采用纳米尺度制备、多方面缺陷构造和原位分析反应过程的实验手段并结合相应的计算模拟方式，为探索Si基材料在光电分解水中的应用奠定基础，同时为揭示光电极效率与稳定的去耦合机制寻求突破。本项目有望解决Si基材料光电分解水的基础科学问题，为推动清洁能源转化和缓解环境变暖做出重要贡献。

将太阳能转化为化学燃料，尤其是氢能，可直接应对潜在的环境问题和能源危机，对节能减排和低碳经济具有推动作用，符合国家对未来能源体系的重要战略部署。设计和制备高性能金属-绝缘体-半导体结构的光电极是一种极有效策略。项目实施期间，申请人利用气相沉积技术设计和制备了多种金属-金属氧化物-半导体光电极，包括Au-CoO-Si光电极，Au-PTFE-TiO2-Si光电极，Au-SiO2-Si光电极以及SnSe光电极等。利用热处理手段（如真空退火）、低温等离子体技术以及两者相结合的方式对制备的氧化物层进行缺陷构造，缺陷的数量、种类和维度将通过调控处理时间、温度和偏压等工艺条件来实现其可控制备。申请人通过可控构造Au+阳离子缺陷，确立阳离子缺陷与载流子运输的匹配关系，分析了阳离子缺陷对光电化学氮还原性能的贡献机制；通过原位硒化可控构造了阴离子修复缺陷，优化了SnSe光电极的环境稳定性，提高了光生电荷转移速度，促进了光电化学分解水过程中电荷与空穴的分离和传输；利用室温甲烷等离子体处理对不锈钢表面进行修饰，构造了Fe3C@G纳米粒子缺陷，显著提高了电极的表面电荷密度，从而促进了分解水效率。申请人利用原位X射线吸收光谱、原位X射线光电子能谱等原位分析技术探索了载流子的转移路径和方式，并对氧化物材料组织和晶态结构演变、缺陷特征和数量、界面化学反应与光电极效率和稳定的耦合响应机制进行了深入的探索。此外，申请人利用理论计算的方式对不同氧化物层的作用进行模拟分析，计算它们的能带结构、费米能级、对H质子的吸附解吸能力以及相应催化反应的活化能等，并对金属-绝缘体-半导体结构的光电极的光电化学能力进行了验证和分析。