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太阳能转化研究新进展

时间:2017-10-30 10:43来源: 作者: 点击:

 

 

随着社会经济的快速发展,化石能源的过度消耗,导致了全球性的能源和环境危机。为探索新能源的可持续发展,基于太阳能和半导体催化剂,通过“人工光合成作用”实现新能源开发利用。

太阳能驱动二氧化碳转化和光催化分解水制氢是从根本上解决能源危机和环境污染的理想途径之一,其宽光谱响应半导体材料的开发与应用是实现太阳能高效光化学转化的前提和基础。然而,半导体材料光吸收特性和光生载流子分离效率已成为光催化领域的研究热点。

基于此,精细化工国家重点实验室孙立成教授团队的侯军刚教授在该领域取得重要进展。他们致力于宽光谱响应半导体材料的开发,增强光吸收,从而实现光驱动二氧化碳转化(Nano Energy 2016, 30, 59–68; Nano Energy 2017, 32, 359-366). 二维纳米材料是一种全新的材料,原子层厚的钨酸铋(Bi2WO6)单层结构也带来性能突破。通过对宽禁带半导体材料磷酸根掺杂和氧空位引入策略,实现了原子层厚的Vo-PO4-BWO纳米片的可见光谱强吸收,提高了其光生电荷分离效率,从原子层次上构建了明确的结构-性质关系,实现了可见光响应二维半导体体系对太阳能驱动二氧化碳高效转化(Nano Energy 2017, 32, 359-366).

同时,光催化分解水制氢是利用太阳能制备燃料的理想途径之一。然而,单一半导体材料仍存在着光生载流子分离效率低的问题。基于此,侯军刚教授重视发展构筑异质结、异相结甚至晶面间电荷分离等策略来从源头上提升材料的光生电荷分离效率。为此,发展了一种核壳结构NaTaON/Ta3N5异质结纳米晶,形成以Ta-O-N化学键耦合的和能带结构匹配的异质结构,有利于光生电子-空穴对的分离,减少了光生载流子的复合,提高了光生载流子的利用率,从而有效提高了光催化分解水效率。该核壳结构为进一步构筑高效的太阳能转化体系提供了新的思路。相关研究成果发表在Advanced Energy Materials 2017, 7, 1700171.

该系列研究工作受到国家自然科学基金等项目资助。

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285516306188

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201700171/abstract

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