借卓立漢光 Sirius 300W 太陽(yáng)光模擬器，深挖納米異質(zhì)結(jié)光電奧秘

近日，西北大學(xué)苗慧課題組在原位生長(zhǎng)構(gòu)筑Sb2S3@CdSexS1-x準(zhǔn)一維S型異質(zhì)結(jié)光陽(yáng)極及其光電化學(xué)特性研究方面取得進(jìn)展，研究成果以“Fabricating S-scheme Sb2S3@CdSexS1-x quasi-one-dimensional heterojunction photoanodes by in-situ growth strategy towards photoelectrochemical water splitting”為題發(fā)表在國(guó)際期刊Journal of Materials Science & Technology。西北大學(xué)物理學(xué)院為該論文第一單位，劉康德博士研究生為第一作者，苗慧教授為通訊作者。今天小卓為大家分享該研究成果，希望對(duì)您在納米異質(zhì)結(jié)器件光電性質(zhì)研究方面帶來(lái)一些靈感和啟發(fā)。

應(yīng)用方向：納米異質(zhì)結(jié)、光電器件、納米材料

正文

硫化銻作為良好的光吸收材料（可見(jiàn)光波段：>105 cm-1），近年來(lái)在光電催化領(lǐng)域逐步受到研究人員的廣泛關(guān)注。Sb2S3由一維帶狀[Sb4S6]n單元組成，其在[010]和[100]方向通過(guò)范德瓦爾斯力結(jié)合，在[001]方向由強(qiáng)的Sb-S共價(jià)鍵連結(jié)，使得Sb2S3具有特殊的準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)各向異性，導(dǎo)致光生載流子沿不同方向的遷移率具有很大差別，[hk1]取向較[hk0]取向具有更高的載流子遷移率。因此制備具有[hk1]取向的一維Sb2S3納米結(jié)構(gòu)具有重要意義。

該論文首先采用兩步氣相輸運(yùn)沉積和快速冷卻技術(shù)制備得到高質(zhì)量的Sb2S3納米棒。隨后采用化學(xué)浴沉積和原位硒化策略，在Sb2S3納米棒光電極表面成功構(gòu)建準(zhǔn)一維S型Sb2S3@CdSexS1-x異質(zhì)結(jié)。研究表明采用兩步氣相輸運(yùn)沉積制備的薄膜光電極較一步快速冷卻制備的薄膜光電*具有更大的電化學(xué)活性面積和更加顯著的[hk1]優(yōu)勢(shì)取向生長(zhǎng)。

圖1 Sb2S3@CdSexS1-x復(fù)合光陽(yáng)極的制備流程示意圖

圖2（a）Sb2S3 base和（b）Sb2S3 NRs的SEM圖；（c）雙電層電容測(cè)試圖和（d）晶格紋理系數(shù)圖

Sb2S3@CdSexS1-x光電*具有良好的光電化學(xué)特性，原位硒化有助于光電化學(xué)性能與穩(wěn)定性的提升。在1.23 V vs. RHE偏壓下，光電流密度達(dá)1.61 mA/cm2，且暗電流明顯降低，在600 s持續(xù)開(kāi)關(guān)光狀態(tài)下表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。Sb2S3@CdSexS1-x優(yōu)異的光電化學(xué)特性主要是基于形成的準(zhǔn)一維S型異質(zhì)結(jié)促進(jìn)光生載流子分離，有效抑制了Sb2S3深能級(jí)缺陷導(dǎo)致其光生載流子嚴(yán)重復(fù)合的弊端。

圖3 Sb2S3與Sb2S3@CdSexS1-x光電極的（a）連續(xù)開(kāi)關(guān)光下的LSV測(cè)試曲線、（b）連續(xù)開(kāi)關(guān)光下的IT測(cè)試曲線、（c）Nyquist圖、（d）Bode圖、（e）IPCE和APCE測(cè)試曲線及（f）ABPE測(cè)試曲線

圖4 Sb2S3@CdSexS1-x光電極的S型載流子轉(zhuǎn)移和利用結(jié)構(gòu)示意圖

研究結(jié)果表明：本工作采用兩步氣相輸運(yùn)沉積結(jié)合化學(xué)浴沉積和原位硒化策略，在Sb2S3納米棒光電極表面成功構(gòu)建準(zhǔn)一維S型Sb2S3@CdSexS1-x異質(zhì)結(jié)，有效抑制了Sb2S3深能級(jí)缺陷導(dǎo)致其光生載流子嚴(yán)重復(fù)合的弊端，實(shí)現(xiàn)光生載流子高效分離。此外原位硒化有助于光電化學(xué)性能與穩(wěn)定性的提升。研究結(jié)果為開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的Sb2S3基光電器件提供了有效的策略。

相關(guān)儀器介紹

文中光電化學(xué)性能測(cè)試(2c)采用卓立漢光 Sirius 300P型300W太陽(yáng)光模擬器、同時(shí)IPCE測(cè)試（圖3e）中單色光源采用卓立漢光Mled 4-3LED光源模組

作者簡(jiǎn)介

苗慧 西北大學(xué)物理學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師。近年來(lái)主要從事金屬硫化物、硒化物、硒硫化物等納米材料用于光電化學(xué)領(lǐng)域的研究。先后主持和參與國(guó)家自然科學(xué)基金，省自然科學(xué)基金，國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目等10余項(xiàng)。在J. Mater. Sci. Technol., Chem. Eng. J., J. Colloid Interface Sci., ACS Appl. Mater. Interfaces, Sep. Purif. Technol., Langmuir等期刊發(fā)表SCI論文50余篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)*10余件。