InGaN纳米阵列光电极的制备,电荷传输及其在太阳能制氢方面的应用

利用太阳能光解水制氢是未来氢能的主要来源之一。InGaN是一种非常有潜力的光电极材料，针对目前InGaN光电极量子转换效率较低的现状，申请者提出通过减小光生空穴扩散距离来提高其量子转换效率。在本项目中拟采用氧化铝模板法制备InGaN纳米阵列电极结构，研究不同尺寸纳米孔或纳米棒阵列电极对量子转化效率的影响。弄清纳米阵列光电极中的电荷传输机制，通过空穴捕捉剂等技术研究光生空穴在纳米阵列电极中的传输路径；通过理论计算和实验相结合，研究表面态对纳米阵列电极/电解液界面电子传输的影响, 为纳米光电极的电荷传输机理研究提供实验基础，也为设计其他新型光电极结构提供参考。

经过本项目研究，弄清了InGaN电极表面态形成机理以及其对表面光生电荷传输过程的影响规律，并且提出了一种简单通用的表面处理方法消除InGaN电极表面偏析相，显著提高了InGaN电极的太阳能转换效率，在400nm波长下的量子效率从15%大幅提升至41％，相关研究结果发表在国际著名期刊Appl. Phys. Lett.上，同时也申请了1项中国发明专利。通过浅能级掺杂、表面复合中心消除，电催化剂修饰等手段，大大提高了BiVO4光电极的太阳能转换效率和光稳定性，并用于天然海水分解制氢，在所有已研究的氧化物光阳极中，在440-480 nm可见光波段范围内具有最高的量子转换效率，是氧化物电极中太阳能分解海水制氢中的最高值，这一进展发表在本领域重要杂志Energy Environ. Sci.上，同时也申请了1项中国发明专利，已获授权。发现了表面电催化剂与电解液对光电极的协同作用，通过选择匹配的电催化剂和电解液实现了Ta3N5光电极转换效率和稳定性的大幅提升，相关研究结果已经发表在Adv. Funct. Mater.杂志上，这一结果对提升光电极的稳定性方面提供了一种新思路。由于项目申请人在光电化学分解水制氢方面的研究工作，2012年Energy Environ. Sci.杂志社邀请我们课题组撰写了一篇相关的综述，已经在线发表。. 在本项目的资助下，共发表SCI论文10篇，其中影响因子9.0以上3篇，3.0以上9篇；申请中国发明专利4项，授权1项；参加国际会议2次，国内会议3次，都做了口头报告；帮助培养博士生3名，圆满的完成了项目当初设定的目标。