李严波教授最新Nat Catal: Ta3N5的能带结构工程与缺陷调控用于高效光电化学水氧化- 大数跨境

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李严波教授最新Nat Catal: Ta3N5的能带结构工程与缺陷调控用于高效光电化学水氧化

科学材料站

2020-10-19

导读：该工作报道了将梯度Mg掺杂用于Ta3N5的能带结构工程和缺陷控制。结果显示，掺Mg Ta3N5薄膜光阳极具有高PEC水氧化性能。

文章信息

Ta3N5的能带结构工程与缺陷控制用于光电化学水氧化

First published: 12 October 2020

第一作者：肖业权

通讯作者：李严波，Kazunari Domen

单位：电子科技大学，东京大学，信州大学，慕尼黑工业大学，中山大学

研究背景

不断增长的全球能源需求和相关的环境问题迫切推动了对可再生和生态友好能源的追求。人工光合作用（Artificial Photosynthesis）将太阳能转化为可储存的化学燃料，是生产绿色可持续能源以及解决太阳能间歇性问题的一种有吸引力的方法。太阳能驱动的光电催化（PEC）分解水和二氧化碳还原是两种主要的人工光合作用过程，可以生产可持续的氢或碳基燃料。

Ta3N5作为水分解光阳极材料具有宽可见光吸收和合适能带位置的优点，在光电催化制氢领域具有重要的应用前景，其理论太阳能-氢能转化效率可达15.9%。但是，由于受Ta3N5材料体相和表面缺陷的限制，目前最高效率仍远低于理论效率。为了弥补效率差距，开发有效的Ta3N5光阳极载流子管理策略至关重要。

文章简介

近日，电子科技大学李严波教授和日本东京大学Kazunari Domen在国际顶级期刊Nature Catalysis (影响因子：30.471) 上发表题为“Band structure engineering and defect control of Ta3N5 for efficient photoelectrochemical water oxidation”的研究工作。

该工作报道了将梯度Mg掺杂用于Ta3N5的能带结构工程和缺陷控制。结果显示，掺Mg Ta3N5（Mg：Ta3N5）薄膜光阳极具有高PEC水氧化性能。该工作表明通过梯度掺杂进行能带工程和缺陷控制是一种有效的载流子管理策略，可用于指导新型半导体吸光材料的设计，以实现高效的太阳能转换。

本文要点

要点一：在Mg：Ta3N5薄膜光阳极中，Mg的梯度掺杂引起了带边能级的梯度，从而大大提高了电荷分离效率。此外，由于Mg掺杂对深能级缺陷的钝化作用，以及更重要的是梯度Mg掺杂分布与Ta3N5内部缺陷分布的匹配，与缺陷相关的复合被显著抑制。

要点二：结果表明，当梯度Mg:Ta3N5光阳极与硼酸盐插层镍钴铁氧氢氧化物（NiCoFe-Bi）析氧反应共催化剂相结合时，梯度Mg:Ta3N5光阳极具有低的起始电位（0.4 VRHE）和高偏置光电转换效率（3.25 ± 0.05%）。

要点三：这些结果表明，在全面了解掺杂效应的基础上，合理设计半导体薄膜中的掺杂分布是非常重要的。该工作利用这种梯度掺杂策略来抑制梯度分布的缺陷和产生内部的带弯曲，可以为提高其他半导体薄膜光吸收材料太阳转换效率的指导方针。

文章链接

Band structure engineering and defect control of Ta3N5 for efficient photoelectrochemical water oxidation

https://www.nature.com/articles/s41929-020-00522-9

通讯作者介绍

李严波，电子科技大学基础与前沿研究院教授，国家青年人才。

2005和2007年分获上海交通大学物理学学士和硕士学位。2010年获东京大学产业机械工学博士学位，其间获“日本文部省奖学金”、中国“国家优秀自费留学生奖学金”、东京大学工学部“研究科长赏”等。2010-2014获日本学术振兴机构（JSPS）资助在东京大学从事博士后研究工作。2014-2016于美国劳伦斯-伯克利国家实验室人工光合成联合研究中心（JCAP）从事博士后研究工作。2016年回国加入电子科技大学，开展光电催化水分解及太阳能电池相关的研究工作。近年来，以第一作者（含共同）或通讯作者在Nature Catalysis、Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Energy & Environmental Sciences、Nano Letters、ACS Energy Letters、ACS Catalysis等学术期刊上发表论文多篇；主持国家自然科学基金（面上）、四川省科技厅应用基础研究（面上）等项目；担任国家重点研发计划项目会评专家、担任SCI期刊Nanoscale Research Letters及电子科技学刊（JEST）副主编。

第一作者介绍

肖业权，电子科技大学基础与前沿研究院2017级博士，

目前主要研究内容为钽基氮氧化合物的制备及其光电催化性能的研究。现已在Nature Catalysis、Chemical Society Reviews、Energy & Environmental Sciences、ACS Catalysis、Chemistry of Materials、Solar RRL等期刊上发表论文15篇，授权国家发明专利4项。

课题组介绍

https://www.x-mol.com/groups/li_yanbo

课题组招聘

本课题组长期招聘半导体光电催化方向相关的博士后研究人员，年薪20万以上。另外，欢迎对半导体物理及半导体光电化学、光电催化、光电探测、太阳能电池等方向感兴趣的硕士、博士生报考，详情请询yanboli@uestc.edu.cn。