孙建武副教授， ACS Nano观点：新型太阳能分解水材料-纳米多孔单晶立方相碳化硅- 大数跨境

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孙建武副教授， ACS Nano观点：新型太阳能分解水材料-纳米多孔单晶立方相碳化硅

科学材料站

2021-03-01

导读：该研究工作通过制备纳米多孔3C-SiC并负载Ni:FeOOH催化剂，实现了3C-SiC光阳极光电催化分解水效率的突破。

文章信息

新型太阳能分解水材料：纳米多孔单晶立方相碳化硅

第一作者：简经鑫

通讯作者：孙建武*

单位：瑞典林雪平大学（Linköping University, Sweden）

研究背景

立方相碳化硅（3C-SiC）具有较小的带隙宽度和匹配于水氧化还原电位的理想能带位置，是一种很有前途的太阳能光电分解水材料。

本工作首先利用升华法生长了单晶3C-SiC材料，利用阳极氧化方法制备纳米多孔3C-SiC，在负载Ni:FeOOH催化剂后，显著提高了太阳能光电分解水性能。

在优化纳米多孔结构、晶面、催化剂后，基于3C-SiC的纳米多孔光阳极最大光电流密度达到了2.30 mA cm-2，是平面电极的3.33倍，这是目前已报道的基于3C-SiC光阳极效率最高的体系。

文章简介

瑞典林雪平大学的孙建武副教授，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Nanoporous Cubic Silicon Carbide Photoanodes for Enhanced Solar Water Splitting”的文章。

该研究工作通过制备纳米多孔3C-SiC并负载Ni:FeOOH催化剂，实现了3C-SiC光阳极光电催化分解水效率的突破。

图1. 平面3C-Si和纳米多孔3C-SiC的光物理过程示意图，及其光电催化分解水行为。

本文要点

要点一：3C-SiC单晶材料制备

基于半导体光电极的太阳能分解水体系，是一种很有前景的转化太阳能制备可再生氢燃料的方法。立方晶型碳化硅（3C-SiC）半导体材料具有合适的能带结构和带隙宽度（2.36 eV），其作为光电极用于太阳能分解水，理论上能达到10%的太阳能-氢能转化效率。但3C-SiC单晶材料的生长仍然非常困难。

最近，瑞典孙建武的研究小组报道了利用升华法可以生长高质量的单晶3C-SiC材料。通过负载产氧助催化剂（NiO、Ni:FeOOH）后，水氧化性能和稳定性得到了显著提高（具体见前期工作：J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 4721; Sol. RRL 2020, 4, 1900364）。

该工作发现制约3C-SiC分解水效率的主要因素是大多数光生载流子产生在内部的中性区，不能有效的分离并传递到表面进行催化反应，从而限制了光子转换效率。通过制备纳米多孔结构，既能构筑光捕获空腔结构有利于增强吸光效率，又可以缩短光生载流子的传输距离，有利于同时增强光捕获效率和载流子分离效率。

要点二：纳米多孔3C-SiC光电极

为了证明所提出的纳米多孔结构在太阳能分解水方面的优点，该工作采用阳极氧化方法利用3C-SiC单晶材料制备纳米多孔的光电极。在样品表面和断面，通过扫描电子显微镜纳米多孔电极的表面形貌和厚度。随着阳极氧化时间的增长，3C-SiC(111)表面形成并扩大了平行排列的三角形孔洞，这与其特殊的晶面<111>取向有关。

横截面透射电镜图显示出柱状孔隙结构，柱的直径从表面附近的100 nm逐渐增加到材料内部的300 nm。因此，通过控制阳极氧化刻蚀的时间，能够实现对纳米多孔3C-SiC材料的表面形貌和多孔层深度进行调控。

要点三：催化剂负载和光电催化分解水

通过水热反应，在平面3C-SiC和纳米多孔3C-SiC光阳极表面沉积了Ni:FeOOH催化剂，以提其表面催化氧化水的效率。在光电催化分解水测试中，最优的纳米多孔电极，在AM1.5G 100 mW cm-2光照下，其最大光电流密度为2.30 mA cm-2 ，是平面结构光阳极的3.33倍。纳米多孔体系的最大光电转换ABPE效率为0.81%，这是目前基于3C-SiC半导体光阳极的最大光电转换效率。

电化学比表面积分析表明纳米多孔3C-SiC光电极的相对比表面积比为平面3C-SiC电极的34.0倍，比表面积的增加有利于负载催化剂和提高光电催化分解水效率。实验结果证实，构筑纳米多孔结构的有利于提高太阳能分解水的效率。

要点四：纳米多孔3C-SiC光阳极提高光电催化分解水性能的机理

光电分解水的机理分析发现纳米多孔结构降低了3C-SiC的电荷传输电阻和界面电荷传输电阻，有利于光生载流子的分离和传输。优化后的纳米多孔3C-SiC光阳极在1.23 VRHE下的光利用效率（LHE）提高到了93%以上，电荷分离效率（Φsep）提高到了38%，电荷注入效率（Φox）提高到了91%，显著优于平面3C-SiC光阳极（LHE = 78%，Φsep = 28%，Φox = 53%）。

这说明纳米多孔3C-SiC的光捕获过程、载流子传输、催化活性都得到了改善，这使得太阳能水分解性能得到协同提高。

文章链接

Nanoporous Cubic Silicon Carbide Photoanodes for Enhanced Solar Water Splitting

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c00256

通讯作者介绍

孙建武副教授。

2003年获西北大学学士学位，2008年获中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士学位。2008-2010年，在中国厦门大学担任助理教授。2009-2013年，分别在法国蒙彼利埃第二大学和瑞典林雪平大学进行博士后研究。2013-2014年，在比利时IMEC担任高级研究员。2015年，加入林雪平大学，担任副教授。目前的研究主要集中在石墨烯和半导体材料及其在能源方面的应用。

第一作者介绍

简经鑫博士，2017年中国科学院理化技术研究所取得博士学位，导师为吴骊珠院士和佟振合院士。

2017-2019年，在瑞典林雪平大学从事博士后研究工作。2019年获得瑞典Åforsk基金支持成为林雪平大学物理、化学和生物系（IMF）的首席研究工程师。他一直从事人工光合成光催化分解水和光电催化分解水研究，在该领域取得了一系列突破性的研究成果，先后发表15篇高水平的SCI研究论文，其中以第一作者和共同第一作者在Nat. Commun.; Energy Environ. Sci.; ACS Nano; J. Mater. Chem. A; Sol. RRL; ACS Appl. Mater. Interfaces等中科院一区期刊发表论文共9篇，获得中国发明授权专利3项。2020年11月，简经鑫入职汕头大学，继续从事太阳能转化方面的研究工作。

课题组介绍

本课题组研究主要集中在石墨烯、碳化硅半导体单晶材料生长及其在太阳能转化的应用。研究组主页: https://liu.se/en/employee/jiasu75

课题组招聘

本课题组目前招聘1-2名具有半导体光电水分解或者CO2还原研究背景的博士后。也欢迎访问学者加入本课题组。请将申请材料发送至 jianwu.sun@liu.se