近日，国际顶级期刊《自然-催化》(Nature-Catalysis)发表了电子科技大学基础与前沿研究所李艳波教授团队的最新研究成果《氮化钽能带工程及缺陷控制在高效光电化学水氧化中的应用》。本文第一作者肖业权博士是我校材料与化学工程学院2017级硕士研究生。
本研究通过能带工程和氮化钽薄膜的缺陷控制，实现了高性能的光电催化光阳极器件。
Ta3N5作为分解水的光阳极材料，具有可见光吸收宽、能带位置合适等优点，在人工光合成光电催化制氢领域具有重要的应用前景。其理论太阳能-氢能转换效率可达15.9%。然而，由于Ta3N5材料的体相和表面缺陷的限制，目前获得的最高效率仅为2.72%，远低于其理论值。研究人员发现，镁离子掺杂对低价钽缺陷的形成有很好的抑制作用。由于Ta3N5薄膜中Ta3+缺陷的梯度分布，通过调节Mg离子的梯度来匹配Ta3+缺陷的分布，可以更有效地降低深能级缺陷态的密度，抑制深能级缺陷引起的载流子复合，同时Ta3N5薄膜可以形成梯度能带结构。与均匀掺杂的薄膜相比，梯度掺杂的能带结构可以大大提高光生电荷的分离效率。
图一。镁离子梯度掺杂对Ta3N5薄膜能带结构和光电催化的影响
将这种有效的载流子管理策略与高效的NiCoFe-Bi产氧助催化剂相结合，梯度Mg离子掺杂的Ta3N5光阳极实现了最高的光电转换效率3.31%，这是目前Ta3N5光阳极的最高报道值，也高于已报道的Fe2O3、BiVO4、n-Si光阳极的光电转换效率。其优异的光电催化性能表明，通过梯度掺杂实现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，实现高效的太阳能转换。
图二。单光子光阳极的最大效率值
电子科技大学基础与前沿研究所2017级博士肖业权，目前主要从事钽基氮氧化物的制备及其光电催化性能的研究。目前在Nature Catalysis、Chemical Society Reviews、Energy Environmental Sciences、ACS Catalysis、Chemistry of Materials、Solar RRL等期刊上以第一作者或合著者发表论文15篇。，并获得4项国家发明专利授权。2017年毕业于三峡大学，新能源材料与器件专业硕士。学习期间，她成绩优异。在谭新宇教授课题组的支持下，她到清华大学材料研究所联合培养一年，从事石墨烯异质结太阳能电池的研究。硕士期间以第一作者身份发表了两篇国际高水平论文，获得两项授权发明专利，其中一项被Solar PRL选为封面论文。
目前，谭新宇教授研究组主要从事新型高效太阳能电池、智能超疏水材料和辐射制冷的研究。团队现有研究人员30余人，其中楚天学者2人，二级教授1人，副教授4人，博士生3人。先后完成国家、省、部级科研项目10余项；在国内外学术期刊上发表论文100余篇，获得国家发明专利20余项。团队与清华大学、华中科技大学、密歇根大学、密苏里大学堪萨斯分校、卡尔斯鲁厄理工学院等多所国内外著名高校建立了长期稳定的合作关系，共同培养了多名优秀研究生。
来源:三峡大学Suoyuan.com编辑|吴岩峻
