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光电化学(Photoelectrochemical,简称PEC)分解水是太阳能转化为氢能的理想途径。光阳极表面缓慢的水氧化动力学严重制约了 PEC电池的太阳能到氢能(Solar-to-hydrogen,简称STH)转换效率。发展高效、低成本的光阳极是PEC分解水制氢规模化应用的基本前提。氮化钽(Ta3N5),其光吸收边达600 nm、理论太阳能转换效率达15.9%、且具有无偏压分解水能力,因而成为备受关注的光阳极候选材料。然而,载流子迁移率低(1.3-4.4 cm2V-1 s-1)、载流子有效质量各向异性显著、光生电荷复合速率快(<10ps)等问题制约了 Ta3N5光催化活性的进一步提升,并使其光阳极实际开启电势(0.6-1.1VRhE)远高于平带电势(0 VRHE左右)。过高的开启电势需要消耗大量的外加电能,从而降低了光电极的STH转换效率。因此,寻找有效的策略提升Ta3N5光阳极光生电荷分离效率,实现低偏压或无偏压分解水具有非常重要的科学意义。本文以改善Ta3N5电荷分离和输运为研究目标,从Ta3N5的结晶性、电子结构以及载流子输运等方面入手,通过晶体取向生长、阳离子掺杂以及异质结构筑等手段,旨在促进Ta3N5光生电子空穴分离和输运,从而降低其光阳极开启电势,提高太阳能到氢能的转换效率。本文具体研究内容如下:晶体取向生长及Sc3+掺杂降低Ta3N5光阳极开启电势。本文采用熔盐辅助晶体生长方法,制备了 Sc3+掺杂的a轴优势生长的Ta3N5纳米棒,有效地抑制了 Ta3N5光阳极的不足,包括:(1)a轴取向生长降低了 Ta3N5电子结构各向异性的负面影响;(2)单晶Ta3N5纳米棒不仅提高了材料结晶性,而且增大了催化反应的活性面积;(3)由于电荷补偿机制,Sc3+取代Ta5+同时会导致02-取代N3-,因而改变了 Ta3N5的能带结构,有效地提升了光阳极的光电压。担载Co(OH)x作为助催化剂促进水氧化动力学,其开启电势达到0.4VRHE,与固相烧结法制备的Ta3N5颗粒相比,开启电势负移了近400mV。到目前为止,0.4 VRHE是基于Ta3N5单光子电极体系的最低开启电势。而且,该光阳极太阳能到氢能转换效率可达0.82%。Mg2+掺杂及CoOOH均匀包覆提升Ta3N5纳米棒光阳极光电流。为了进一步提高Ta3N5纳米棒光阳极的体相电荷分离效率,对其进行Mg2+掺杂改性。Mg2+引入大幅度提高了 Ta3N5光阳极的载流子密度以及导电性。最优化的Mg2+掺杂Ta3N5光阳极在1.23VRHE偏压下的光电流密度可达1.5mAcm-2。采用电化学沉积技术在电极表面包覆CoOOH层,以提高空穴转移动力学,使得光阳极在1.6 VRHE和1.23 VRhE偏压下的光电流密度分别为9.5 cmA cm-2和6.5 mA cm-2,开启电势为0.6 VRHE。并且该光电极在1.0 VRHE偏压下持续光照70 min,其性能可以保持原来的70%。TaON/Ta3N5异质结结构促进Ta3N5光阳极电荷分离。为了解决Ta3N5光生载流子分离驱动力不足的问题,本文构筑了 TaON/Ta3N5异质结光阳极。研究发现,TaON层的耦合能够有效提高Ta3N5光阳极的电荷分离效率。通过优化TaON层的厚度,TaON/Ta3N5异质结光阳极在不担载任何助催化剂的情况下,其开启电势为0.6 VRhE,与Ta3N5光阳极相比,负移了近350 mV。这种简单有效的方法为发展高效(氧)氮化物异质结光催化材料提供了很好的借鉴与参考。