用于光电催化水分解的氧化亚铜基光电阴极研究进展

卢华森 宋世旭 贾萁森 刘光波 姜鲁华

引用本文: 卢华森, 宋世旭, 贾萁森, 刘光波, 姜鲁华. 用于光电催化水分解的氧化亚铜基光电阴极研究进展[J]. 物理化学学报, 2024, 40(2): 230403. doi: 10.3866/PKU.WHXB202304035 shu
Citation:  Huasen Lu, Shixu Song, Qisen Jia, Guangbo Liu, Luhua Jiang. Advances in Cu2O-based Photocathodes for Photoelectrochemical Water Splitting[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(2): 230403. doi: 10.3866/PKU.WHXB202304035 shu

用于光电催化水分解的氧化亚铜基光电阴极研究进展

    通讯作者: 姜鲁华, luhuajiang@qust.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 22179067

    国家自然科学基金 22279069

    山东省自然科学基金 ZR2022ZD10

摘要: 随着不可再生资源的消耗及环境污染日趋严重,开发环境友好、可再生的新能源受到广泛关注。氢可通过燃料电池进行发电,被认为是理想的洁净能源载体。耦合可再生能源,如光能、风能、海洋能等,进行光电水分解制氢是有效途径之一。氧化亚铜(Cu2O)具有合适的能带结构、制备简单、资源丰富,成为光电阴极半导体的研究热点。然而,Cu2O光电阴极面临光生电荷复合较快、光腐蚀严重等挑战,导致其光电效率低、稳定性差。本综述首先简要介绍光电水分解制氢原理以及Cu2O的能带结构适配性,其次总结氧化亚铜的制备方法;重点概述提高Cu2O光电效率和稳定性的策略,包括形成氧化亚铜-n型半导体p-n结、添加助催化剂、引入空穴传输层等;结合近年来表征技术的发展,介绍先进的光电阴极表征手段;最后,对光电阴极未来的研究方向进行展望。

English

    1. [1]

      Grossmann, W. D.; Grossmann, I.; Steininger, K. W. Renew. Sust. Energ. Rev. 2014, 32, 983. doi: 10.1016/j.rser.2014.01.003

    2. [2]

      Fujishima, A.; Honda, K. Nature 1972, 238 (5358), 37. doi: 10.1038/238037a0

    3. [3]

      Khaselev, O.; Turner, J. A. Science 1998, 280 (5362), 425. doi: 10.1126/science.280.5362.425

    4. [4]

      Wang, G.; Wang, H.; Ling, Y.; Tang, Y.; Yang, X.; Fitzmorris, R. C.; Wang, C.; Zhang, J. Z.; Li, Y. Nano Lett. 2011, 11 (7), 3026. doi: 10.1021/nl201766h

    5. [5]

      Hisatomi, T.; Domen, K. Faraday Discuss. 2017, 198 (0), 11. doi: 10.1039/C6FD00221H

    6. [6]

      Pinaud, B. A.; Benck, J. D.; Seitz, L. C.; Forman, A. J.; Chen, Z.; Deutsch, T. G.; James, B. D.; Baum, K. N.; Baum, G. N.; Ardo, S.; et al. Energy Environ. Sci. 2013, 6 (7), 1983. doi: 10.1039/C3EE40831K

    7. [7]

      Huang, Q.; Ye, Z.; Xiao, X. J. Mater. Chem. A 2015, 3 (31), 15824. doi: 10.1039/C5TA03594E

    8. [8]

      Bagal, I. V.; Chodankar, N. R.; Hassan, M. A.; Waseem, A.; Johar, M. A.; Kim, D. -H.; Ryu, S. -W. Int. J. Hydrog. Energy 2019, 44 (39), 21351. doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.06.184

    9. [9]

      de Jongh, P. E.; Vanmaekelbergh, D.; Kelly, J. J. J. Electrochem. Soc. 2000, 147 (2), 486. doi: 10.1149/1.1393221

    10. [10]

      Chen, Z.; Jaramillo, T. F.; Deutsch, T. G.; Kleiman-Shwarsctein, A.; Forman, A. J.; Gaillard, N.; Garland, R.; Takanabe, K.; Heske, C.; Sunkara, M.; et al. J. Mater. Res. 2010, 25 (1), 3. doi: 10.1557/JMR.2010.0020

    11. [11]

      Paracchino, A.; Laporte, V.; Sivula, K.; Grätzel, M.; Thimsen, E. Nat. Mater. 2011, 10 (6), 456. doi: 10.1038/nmat3017

    12. [12]

      Toe, C. Y.; Scott, J.; Amal, R.; Ng, Y. H. J. Photochem. Photobiol. C 2019, 40, 191. doi: 10.1016/j.jphotochemrev.2018.10.001

    13. [13]

      Carp, O.; Huisman, C. L.; Reller, A. Prog. Solid State Chem. 2004, 32 (1), 33. doi: 10.1016/j.progsolidstchem.2004.08.001

    14. [14]

      Tench, D.; Warren, L. F. J. Electrochem. Soc. 1983, 130 (4), 869. doi: 10.1149/1.2119838

    15. [15]

      Zhang, W.; Wen, X.; Yang, S.; Berta, Y.; Wang, Z. L. Adv. Mater. 2003, 15 (10), 822. doi: 10.1002/adma.200304840

    16. [16]

      Soon, A.; Todorova, M.; Delley, B.; Stampfl, C. Phys. Rev. B 2007, 75 (12), 125420. doi: 10.1103/PhysRevB.75.125420

    17. [17]

      Aveline, A.; Bonilla, I. R. Sol. Energy Mater. 1981, 5 (2), 211. doi: 10.1016/0165-1633(81)90033-2

    18. [18]

      Ishibashi, S.; Higuchi, Y.; Ota, Y.; Nakamura, K. J. Vac. Sci. Technol. A 1990, 8 (3), 1403. doi: 10.1116/1.576890

    19. [19]

      Qin, C.; Chen, X.; Liang, R.; Jiang, N.; Zheng, Z.; Ye, Z.; Zhu, L. ACS Appl. Energy Mater. 2022, 5 (11), 14410. doi: 10.1021/acsaem.2c02974

    20. [20]

      Eisermann, S.; Kronenberger, A.; Laufer, A.; Bieber, J.; Haas, G.; Lautenschläger, S.; Homm, G.; Klar, P. J.; Meyer, B. K. Phys. Status Solidi A-Appl. Mat. 2012, 209 (3), 531. doi: 10.1002/pssa.201127493

    21. [21]

      Jeong, S.; Aydil, E. S. J. Vac. Sci. Technol. A 2010, 28 (6), 1338. doi: 10.1116/1.3491036

    22. [22]

      Das, C.; Ananthoju, B.; Dhara, A. K.; Aslam, M.; Sarkar, S. K.; Balasubramaniam, K. R. Adv. Mater. Interfaces 2017, 4 (17), 1700271. doi: 10.1002/admi.201700271

    23. [23]

      Liu, H.; Nguyen, V. H.; Roussel, H.; Gélard, I.; Rapenne, L.; Deschanvres, J. -L.; Jiménez, C.; Muñoz-Rojas, D. Adv. Mater. Interfaces 2019, 6 (3), 1801364. doi: 10.1002/admi.201801364

    24. [24]

      Güneri, E.; Aker, D.; Henry, J.; Billur, C. A.; Saatçi, B. Phase Transitions 2022, 95 (10), 679. doi: 10.1080/01411594.2022.2104161

    25. [25]

      Aref, A. A.; Xiong, L.; Yan, N.; Abdulkarem, A. M.; Yu, Y. Mater. Chem. Phys. 2011, 127 (3), 433. doi: 10.1016/j.matchemphys.2011.02.029

    26. [26]

      Liu, M.; Xue, D. J. Phys. Chem. C 2008, 112 (16), 6346. doi: 10.1021/jp800803s

    27. [27]

      Luo, C.; Xue, D. Langmuir 2006, 22 (24), 9914. doi: 10.1021/la062193v

    28. [28]

      Xiong, L.; Yu, H.; Yang, G.; Qiu, M.; Chen, J.; Yu, Y. Thin Solid Films 2010, 518 (23), 6738. doi: 10.1016/j.tsf.2010.05.117

    29. [29]

      Luo, J.; Steier, L.; Son, M. -K.; Schreier, M.; Mayer, M. T.; Grätzel, M. Nano Lett. 2016, 16 (3), 1848. doi: 10.1021/acs.nanolett.5b04929

    30. [30]

      Jiang, D.; Zhang, Y.; Li, X. Chin. J. Catal. 2019, 40 (1), 105. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63164-X

    31. [31]

      Zhang, Z.; Song, R.; Cao, T.; Huang, W. J. Energy Chem. 2016, 25 (6), 1086. doi: 10.1016/j.jechem.2016.09.012

    32. [32]

      Wang, Y.; Miska, P.; Pilloud, D.; Horwat, D.; Mücklich, F.; Pierson, J. F. J. Appl. Phys. 2014, 115 (7), 073505. doi: 10.1063/1.4865957

    33. [33]

      Musa, A. O.; Akomolafe, T.; Carter, M. J. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 1998, 51 (3), 305. doi: 10.1016/S0927-0248(97)00233-X

    34. [34]

      Visibile, A.; Wang, R. B.; Vertova, A.; Rondinini, S.; Minguzzi, A.; Ahlberg, E.; Busch, M. Chem. Mater. 2019, 31 (13), 4787. doi: 10.1021/acs.chemmater.9b01122

    35. [35]

      Nolan, M.; Elliott, S. D. Chem. Mater. 2008, 20 (17), 5522. doi: 10.1021/cm703395k

    36. [36]

      Tseng, C. C.; Hsieh, J. H.; Liu, S. J.; Wu, W. Thin Solid Films 2009, 518 (5), 1407. doi: 10.1016/j.tsf.2009.09.116

    37. [37]

      Chen, D.; Liu, Z.; Guo, Z.; Yan, W.; Xin, Y. J. Mater. Chem. A 2018, 6 (41), 20393. doi: 10.1039/C8TA07503D

    38. [38]

      Li, X.; Liu, B.; Chen, Y.; Fan, X.; Li, Y.; Zhang, F.; Zhang, G.; Peng, W. Nanotechnology 2018, 29 (50), 505603. doi: 10.1088/1361-6528/aae569

    39. [39]

      Shinde, P. S.; Fontenot, P. R.; Donahue, J. P.; Waters, J. L.; Kung, P.; McNamara, L. E.; Hammer, N. I.; Gupta, A.; Pan, S. J. Mater. Chem. A 2018, 6 (20), 9569. doi: 10.1039/C8TA01771A

    40. [40]

      Würfel, U.; Cuevas, A.; Würfel, P. IEEE J. Photovoltaics 2015, 5 (1), 461. doi: 10.1109/JPHOTOV.2014.2363550

    41. [41]

      Yang, W. -Y.; Rhee, S. -W. Appl. Phys. Lett. 2007, 91 (23), 232907. doi: 10.1063/1.2822403

    42. [42]

      Zhou, M.; Guo, Z.; Liu, Z. Appl. Catal. B 2020, 260, 118213. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118213

    43. [43]

      Wei, Y.; Chang, X.; Wang, T.; Li, C.; Gong, J. Small 2017, 13 (39), 1702007. doi: 10.1002/smll.201702007

    44. [44]

      Pan, L.; Liu, Y.; Yao, L.; Dan, R.; Sivula, K.; Grätzel, M.; Hagfeldt, A. Nat. Commun. 2020, 11 (1), 318. doi: 10.1038/s41467-019-13987-5

    45. [45]

      Liu, G.; Lu, H.; Xu, Y.; Quan, Q.; Lv, H.; Cui, X.; Chen, J.; Jiang, L.; Behm, R. J. Chem. Eng. J. 2023, 455, 140875. doi: 10.1016/j.cej.2022.140875

    46. [46]

      Gou, L.; Murphy, C. J. Nano Lett. 2003, 3 (2), 231. doi: 10.1021/nl0258776

    47. [47]

      Cao, M.; Hu, C.; Wang, Y.; Guo, Y.; Guo, C.; Wang, E. Chem. Commun. 2003, No. 15, 1884. doi: 10.1039/B304505F

    48. [48]

      Kim, M. H.; Lim, B.; Lee, E. P.; Xia, Y. J. Mater. Chem. 2008, 18 (34), 4069. doi: 10.1039/B805913F

    49. [49]

      Kuo, C. H.; Chen, C. H.; Huang, M. H. Adv. Funct. Mater. 2007, 17 (18), 3773. doi: 10.1002/adfm.200700356

    50. [50]

      Lin, C. -Y.; Lai, Y. -H.; Mersch, D.; Reisner, E. Chem. Sci. 2012, 3 (12), 3482. doi: 10.1039/C2SC20874A

    51. [51]

      Zhang, Z.; Dua, R.; Zhang, L.; Zhu, H.; Zhang, H.; Wang, P. ACS Nano 2013, 7 (2), 1709. doi: 10.1021/nn3057092

    52. [52]

      Lai, T. -H.; Tsao, C. -W.; Fang, M. -J.; Wu, J. -Y.; Chang, Y. -P.; Chiu, Y. -H.; Hsieh, P. -Y.; Kuo, M. -Y.; Chang, K. -D.; Hsu, Y. -J. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14 (36), 40771. doi: 10.1021/acsami.2c07145

    53. [53]

      Pande, K. P.; Hsu, Y. S.; Borrego, J. M.; Ghandhi, S. K. Appl. Phys. Lett. 1978, 33 (8), 717. doi: 10.1063/1.90513

    54. [54]

      George, S. M.; Ott, A. W.; Klaus, J. W. J. Phys. Chem. 1996, 100 (31), 13121. doi: 10.1021/jp9536763

    55. [55]

      Li, Y.; Zhong, X.; Luo, K.; Shao, Z. J. Mater. Chem. A 2019, 7 (26), 15593. doi: 10.1039/C9TA04822G

    56. [56]

      Li, J.; Li, W.; Deng, G.; Qin, Y.; Wang, H.; Wang, Y.; Xue, S. Ionics 2023, 29 (2), 685. doi: 10.1007/s11581-022-04827-6

    57. [57]

      Yilmaz, M.; Handoko, A. D.; Parkin, I. P.; Sankar, G. J. Catal. 2020, 389, 483. doi: 10.1016/j.jcat.2020.06.021

    58. [58]

      Chen, R.; Ren, Z.; Liang, Y.; Zhang, G.; Dittrich, T.; Liu, R.; Liu, Y.; Zhao, Y.; Pang, S.; An, H.; et al. Nature 2022, 610 (7931), 296. doi: 10.1038/s41586-022-05183-1

    59. [59]

      Borgwardt, M.; Omelchenko, S. T.; Favaro, M.; Plate, P.; Höhn, C.; Abou-Ras, D.; Schwarzburg, K.; van de Krol, R.; Atwater, H. A.; Lewis, N. S.; et al. Nat. Commun. 2019, 10 (1), 2106. doi: 10.1038/s41467-019-10143-x

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  2
  • 文章访问数:  904
  • HTML全文浏览量:  117
文章相关
  • 发布日期:  2024-02-15
  • 收稿日期:  2023-04-20
  • 接受日期:  2023-05-23
  • 修回日期:  2023-05-21
  • 网络出版日期:  2023-05-31
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章