Energ. Environ. Sci.：三维纳米阵列核壳结构为光催化制氢加速

【引言】

燃料电池具有清洁、高效且寿命长的特点，只要通入氢气就能源源不断产生电能。然而原材料氢气的制取之路道阻且长，相比高能耗的电解水制氢法，太阳能制氢具有廉价、无污染和永不枯竭的特点。来自浙江大学张兴旺教授课题组最近在Energy &Environmental Science展示了他们在太阳能光催化制氢上的最新进展，本导读将对张教授课题组设计的p-Si/NiCoSe_x核壳结构光电阴极做介绍。

【成果简介】

能源危机和环境污染的加剧，使人们不得不摆脱对化石燃料的依赖，集诸多优点于一身的氢气将是最佳替代品。在阳光照射条件下，可以利用光电化学法分解水产生氢气。Si由于储量丰富，具有合适的价带，有利于太阳光的吸收，被用来作为产生氢的光电化学器件。相比2D结构 ， Si纳米柱（NP）阵列结构具有粗糙表面，被证明有更好的防反射性质，在电极和电解液接触面上，具有更好的催化性和促进产物运输的功能。

在提高析氢反应速度上，一种硅/催化剂和核壳结构被设计出来，虽然达到了预期的效果，但是制造工序复杂，价格高而且普通催化剂很难沉积在纳米柱表面。张教授课题组制造出了一种核壳结构的p-Si/NiCoSe_x纳米柱阵列，使用电镀沉积法在硅纳米柱表面覆盖一层不定形的NiCoSe_x外壳。与硅纳米线阵列相比，通过简单的方法就能使外壳更完好的覆盖，以提高光催化活性。

【图文导读】

图1.形成硅纳米柱和p-Si/NiCoSe_x核壳结构的示意图

1，在p型硅基底上通过平板硬刷技术获得p型硅纳米柱

2，光辅助电子沉积法覆盖上p-Si/NiCoSe_x外壳

图2.材料表征图

a). 原始硅纳米阵列的SEM照片

b). 单个硅纳米阵列的TEM照片

c). p-Si/NiCoSe_x纳米柱阵列的SEM照片

d). 单个硅纳米柱沉积不定形NiCoSe_x外壳90s后的TEM照片，展示出完整的核壳结构

e-h). p-Si/NiCoSe_x纳米柱中Ni, Co, Se, Si的元素映射图.

i-k). p-Si/NiCoSe_x纳米柱中Ni 2p, Co 2p, and Se 3d的元素映射图

图3.纳米阵列柱的测试图

a). 放置在石墨基底上的NiCoSe_x和空白石墨底盘的J-V曲线比较，说明NiCoSe_x有很好的析氢活性

b). (a)图中的塔菲尔斜率曲线

c). 不同沉积时间条件下，生长在ITO玻璃上NiCoSe_x/石墨的光谱吸收范围测试，说明过透明性良好。插图是空白的ITO基底和NiCoSe_x/ITO沉积90s后的照片

d). 纯净的硅纳米柱和沉积90s后的NiCoSe_x/ITO纳米阵列柱的反射光谱图

图4.组成的完整光电化学器件性能测试图

a). 大气质量为AM 1.5G, 5 M H₂SO4 的条件下，p-Si/NiCoSe_x纳米柱，二维p-Si/NiCoSe_x纳米柱和裸露的Si纳米柱光阴极的J-V曲线测试，结果表明三维p-Si/NiCoSe_x纳米柱具有更优越的光电化学表现

b). 一个太阳照射度，15V条件下的杰奎斯特图，插图为等效电路图。实验结果表明p-Si/NiCoSe_x纳米柱的催化析氢反应要比裸露的Si纳米柱光阴极高出很多

c). 黑暗条件下裸露的p-Si/NiCoSe_x纳米柱和Si纳米柱光阴极的肖特基测试图，结果表明p-Si/NiCoSe_x纳米柱的电极/电极表面性质更有利于增强析氢反应

d). p-Si/NiCoSe_x纳米柱稳定性测试，表明核壳结构隔离了Si与空气和电解质水溶液的接触，增加了稳定性

【小结】

制氢技术的提高，对降低化石燃料的依赖起着重要作用。张教授课题组设计的硅基三维阵列纳米柱结构使光催化制氢技术取得提高，三维阵列结构具有更活跃的催化效果，在光谱吸收范围上也有所提高，核壳结构的设计，进一步提高了稳定性，这种创新性思路值得学习。

【作者简介】

文献链接：A p-Si/NiCoSex core/shell nanopillar array photocathode for enhanced photoelectrochemical hydrogen production(Energ. Environ. Sci.，2016， DOI: 10.1039/c6ee02215d)

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