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基于g-C3N4纳米异质结阵列的光电化学水裂解电极的最新进展

已有 1164 次阅读 2020-11-1 10:20 |系统分类:论文交流| 学术论坛


【研究背景】

作为一种清洁、可持续的制氢手段,光电化学水裂解已经成为能源材料领域的热点之一。该项技术的关键问题在于寻求高效、稳定、廉价的光电极材料。近来,石墨相氮化碳(g-C3N4)由于具有合适的能带结构、一定的可见光吸收能力,以及制备简单、价格低廉、性能稳定等诸多优点,已经受到了世界范围内的普遍关注。然而,g-C3N4材料内在的一些缺点依然是其发展道路上不可忽视的巨大挑战,如:电阻过大、激子复合过快,以及缺乏长波长范围内的可见光吸收等。近来,大量研究工作表明:构建g-C3N4基的纳米异质结阵列能够为克服上述问题提供一个切实可行的解决方案。在这种光电极中,g-C3N4和第二相半导体组成的异质结构能够加速光生电子和空穴的分离,而高度有序的纳米级阵列又为光生载流子的传输提供了高速通道。两者协同作用,有望大幅提高该类光电极的效率。


【论文概要】


近期,在澳大利亚卧龙岗大学窦士学院士的指导下,天津师范大学的王立群博士,联合天津大学司文平博士、梁骥教授,以及大连理工大学侯军刚教授应邀对g-C3N4纳米异质结阵列基的光电化学水裂解电极材料进行了系统综述。在该文中,作者在对研究背景、基本原理进行充分阐述的基础上,对g-C3N4纳米异质结阵列光电极进行了系统的分类和详细的讨论。此外,作者还对这种材料当前所面临的挑战提出了一些可行的解决方案。


【论文内容】


按照第二相半导体材料的不同,g-C3N4纳米异质结阵列可以分为:宽禁带金属氧化物/g-C3N4(如:TiO2/g-C3N4、ZnO/g-C3N4)、窄禁带金属氧化物/g-C3N4(如:WO3/g-C3N4、α-Fe2O3/g-C3N4、Bi2MoO6/g-C3N4)以及其他半导体/g-C3N4(如:Si/g-C3N4、CdS/g-C3N4、NiO/g-C3N4)三类,并涉及纳米管、纳米棒、纳米线和纳米片阵列等不同的微观形貌。本论文详细介绍了这三大类、四种不同微观结构的g-C3N4纳米异质结阵列的制备方法和光电化学性能等方面的最新进展。除此之外,作者还就该类材料所面临的挑战进行了讨论,并对其未来发展提出了了八项可行的解决方案,如1所示。

图1 g-C3N4纳米异质结阵列光电极的关键问题和发展趋势


综上所述,本工作通过对g-C3N4纳米异质结阵列光电极的最新进展进行了系统总结,有效加深了对该类材料的制备、性能改进等方面的认识,为开发高性能的光电化学水裂解电极提供了有效的选材设计手段及理论指导。


【作者简介】

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王立群(第一作者、通讯作者),天津师范大学物理与材料科学学院讲师,主要从事用于能源转化和存储的先进材料和器件的制备、性能以及机理研究。

司文平(共同第一作者),天津大学材料科学与工程学院副教授,主要从事水裂解、氮氧化/还原光电化学电极材料的设计、制备以及性能研究。

侯军刚(通讯作者),大连理工大学精细化工国家重点实验室教授、博士生导师,从事太阳能转化研究,致力于发展能源催化材料的可控合成与集成组装方法,建立微纳米结构、能带结构、电荷传输与催化性能之间的构效关系,实施太阳能催化体系在光能、电能与化学能之间的高效转换。至今已在Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.等国际刊物上发表论文80余篇,被Chem. Rev.、Nat. Mater.、Prog. Mater. Sci.、Nano Today、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等国际期刊引用2000余次,H指数为36。

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梁骥(通讯作者),天津大学材料科学与工程学院教授、博士生导师,主要从事纳米储能材料与器件的基础及应用研究,所开发的材料用于新型非贵金属催化、锂硫电池、锂离子电池等领域。过去五年,其学术成果累计引用5200余次。


相关论文信息


论文原文在线发表于Carbon Energy,点击“阅读原文”查看论文

论文标题:

Graphitic carbon nitride (g-C3N4)-based nanosized heteroarrays: Promising materials for photoelectrochemical water splitting

论文网址:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.48

DOI:10.1002/cey2.48






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