MoS2如何弥补硅基光电极的不足?

近日,上海交通大学张鹏教授课题组提供了一种利用高活性、高稳定性的二硫化钼(MoS2)表面助催化剂来增强硅基光电极的催化性能及保护光电极的有效策略。这意味着全球面临的能源供应危机和环境污染问题或能得到缓解。

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随着不可再生资源如石油、天然气、煤等耗量的日益增加,这些资源的储量不断减少,终有一天将要面临枯竭,因此开发新能源已成为迫在眉睫的大事。氢气因具有重量轻、导热性好、发热值高、燃烧性能好、储量丰富、可回收利用和环保等特点,而被公认为是理想的清洁燃料,有望缓解能源和环境危机。

当前,最理想的产氢途径是利用太阳能驱动水分解以化学键的形式来收集和储存太阳能,再将太阳能转化为氢能,因此开发高性能、低成本的光电化学析氢装置受到越来越多研究人员的关注。

为了使太阳能-氢能转化效率达到10%的商业实用目标,所选的光电阴极和阳极在太阳光谱下光电流要能够达10 mA/cm2,同时要求阴极导带能级在水的还原电势之上,这使得可选的半导体材料只能限制在硅以及少量III-V材料上。注意:III-V材料是指元素周期表中III族的B,Al,Ga,In和V族的N,P,As,Sb形成的化合物,如GaAs、InP等。

相对于InP来说,硅因有价格更便宜、储量丰富和工艺成熟等优势,而被认为是较适合作为底层光电阴极半导体的材料。然而,目前的硅基光电极材料却面临着析氢反应动力学缓慢和稳定性差等一系列问题,所以严重阻碍了其实际应用。

为了弥补硅基光电极的不足,上海交通大学研究者通过纳米铸造法制备出了高度有序的介孔MoS2纳米颗粒,并将其负载到TiO2保护的p-Si基底上。研究表明,所得的MoS2/TiO2/p-Si复合光电阴极不论是酸性还是碱性的条件下都具有极为优异的光电催化性能和稳定性。

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该研究成果已以“Enhancing the photoelectrochemical performance of p-silicon through TiO2 coating decorated with mesoporous MoS2”为题发表在Frontiers in Energy上。

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