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科学家利用二氧化钛光电极来提升光电转换效率

2009-03-20 08:17
论恒
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    通过光电化学(photoelectrochemical)电解作用(electrolysis)分解水来产生氢,是最直接的太阳能产氢方法。二氧化钛(TiO2)纳米管由于能带结构跨越水的还原及氧化位能,又具备在电解液中抗腐蚀(corrosion resistant)及成本低廉等优点,因此被看好是最有希望利用太阳辐射来分解水的光电极(photo-anode)材料之一。

    然而TiO2的宽能隙(3.0-3.2 eV)只允许紫外光的转换,而此波段在太阳光谱中还占不到7%。因此要获得高效率的太阳能-氢转换,缩小TiO2能隙是一个关键。最近阿肯色大学及内华达大学的研究人员指出,发展一套依据纳米结构合成和等离子表面修饰(plasma surface modification)的制程,来提升二氧化钛光电极的光电化学转换效率。

    研究人员通过对钛箔进行电镀(electrochemical anodization),合成具纳米管结构的二氧化钛光电极,接着再以低压氮等离子处理光电极表面。等离子处理能大幅提升样品的光电化学活性,使光电流密度比未经等离子处理的对照组高出约80%。

    等离子处理会去除样品的表面的污染物、降低带电载子的陷阱数目,并且透过掺杂氮得到n型的光电极表面。样品光活性增加的原因除了表面等离子修饰外,光电极表面因掺杂氮而能隙变窄,导致可见光波段的吸收提高也是一个原因。另外,等离子处理也会增加表面的粗操度和湿润性(wettability),导致电极和电解液的接触面积增大,进而强化电解作用。

    由于表面的等离子掺杂不会阻碍载子在块材中的传输,此方法应可进一步改良,使空乏层深度范围内都能得到n型掺杂,以提高光吸收及电荷分离的效率。基于上述结果,该团队相信透过光电极和表面结构的纳米合成,再加化学修饰,该可促进利用光稳定(photostable)的半导体电极进行光电化学产氢。详见Nanotechnology 20 075704 (2009)。
 

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