Version of record online: 24 April 2020
Yonsei University
导 读
N型金属氧化物如赤铁矿（α-Fe2O3）和钒酸铋（BiVO4）是一类很有前途的光电化学水分解材料。但它们的少数载流子扩散长度短，载流子寿命短，导致了无法快速电荷复合。本研究通过简单的干燥和转印过程，在由金属氧化物膜组成的光阳极表面引入具有高度有序六角形孔图案的二维排列球形金纳米球（NS）单层阵列。电磁场的近场耦合作用和放大抑制了长寿命光生空穴的电荷复合，同时提高了集光和电荷转移效率。量身定制的金属薄膜设计为各种光介导能量转换和光电器件的多用途应用提供潜在的策略。
背景简介
1.PEC水电解目前的挑战
光电化学（PEC）水裂解被认为是一种有前途的高纯度清洁H2生产方法。然而，缓慢的析氧反应动力学（OER）被认为是限制水裂解的一个因素，而高工艺成本的氢气生产和可持续性问题也加剧了人们对开发稳定与经济的具有高效水氧化性能的光电阳极的需求。
为解决这一问题，人们广泛应用在水溶液中具有高丰度和高稳定性以及具有较低带隙能的n型金属氧化物半导体，如赤铁矿（α-Fe2O3）和钒酸铋（BiVO4）。然而，其少数载流子扩散长度短和电导差限制了载流子寿命，从而导致了光生载流子与短寿命光生空穴的快速复合。此外，表面态光生空穴的关键复合和不良的OER催化动力学严重恶化了金属氧化物基光阳极的PEC响应。因此，尽管金属氧化物薄膜具有良好的光吸收性能，但它却被限制达到理论最大PEC性能。
2.改善PEC性能的两种方法
图1. 金属氧化物光阳极的示意图。
[文章介绍]
为了证明金阵列的多功能性，将金阵列引入掺钼BiVO4薄膜（Au-array/BiVO4）表面，展示了金阵列的高通用性。因此，转移印刷金阵列对α- Fe2O3和BiVO4薄膜都产生了有效的PRT效应。与可逆氢电极（RHE）相比，在1.23v下，由于同时增强了集光、电荷输运和电荷输运特性，其在1.23v下获得了3.3倍以上的光电流密度。对于BiVO4，转移印刷金阵列使光阳极在1.23v和RHE下的光电流密度比光阳极提高约1.5倍（2.76ma cm-2）。
图2. Au-NSs形貌表征
a,b) TEM images and
c) UV–vis absorbance spectra of Au NSs. SEM images of
d) the pillar pattern mold with a hexagonal arrangement,
e) the assembled Au NSs on the pillar pattern mold and
f) the transfer-printed Au NS patterned array (Au array) on Fe2O3 film.
图3. J–V）曲线与EQE谱
a) Current density versus potential (J–V) curves in the dark or under 1 sun illumination (AM 1.5G) with and without a hole scavenger and
b) external quantum efficiency (EQE) spectra at 1.23 V versus RHE of bare Fe2O3 and Au array/Fe2O3 photoanodes in a 1 m KOH electrolyte (pH 13.7). All measurements were performed by using a three-electrode configuration with a Pt wire counter electrode and an Hg/HgO reference electrode.
图4. SnSe2/ZnSe@PDA电极的电化学性能
a) UV–vis absorptance spectra from experimental measurements and
b) normalized absorption cross-section obtained by numerical simulation of bare Fe2O3 and Au array/Fe2O3 photoanodes.
c) Simulated finite-difference time-domain results on the y–x plane of Au array/Fe2O3 and
d) numerical rigorous coupled-wave analysis field distribution (|E|2) on the y–x plane of Au array/Fe2O3 (at the interface between Au NSs and Fe2O3) at the wavelength of 520 nm.
图5. 吸收光谱图
a) 2D presentations of transient absorption (TA) spectra as a function of time delay and probe wavelength in a false-color plot,
b) normalized TA decay profiles (probe wavelength of 550 ± 25 nm), and
c) TA decay profiles (probe wavelength of 700 ± 25 nm). An excitation pump wavelength of 400 nm was applied
[文章链接]
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202000570
[老师简介]
Park Jong Hyeok教授是大韩民国延世大学化学与生物分子工程系的教授。2004年8月，他在韩国KAIST获得化学工程博士学位。随后，他于2004年加入美国德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin），担任博士后研究员。自2008年起，他一直担任韩国成均馆大学（SKKU）副教授。他是260篇论文和80项专利的作者和合著者。到目前为止，他的论文有超过10000次H指数50的引用。担任《Optical Materials Express》的副主编。
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