[发明专利]一种用于光阳极表面的空穴存储层、光阳极复合结构及用途

说明书

本发明涉及一种用于光阳极表面的空穴存储层，所述空穴存储层为钴基氧化物纳米颗粒层。本发明选用钴基氧化物作为空穴储存层，使得光阳极表面储存了适量的空穴，促进了电荷转移，而减少了电荷复合的几率，提高了光阳极的光电流。本发明可以通过选用不同的前驱体，获得不同价态的钴基氧化物，实现对空穴储存层空穴储存能力的调整，能够适合于不同的半导体吸光材料；在优选技术方案中，旋涂法制备钴基氧化物能够避免二次水热对氧化铁半导体吸光层的劣化影响。

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，具体涉及一种用于光阳极表面的空穴存储层、光阳极复合结构及用途。

背景技术

光催化分解水的过程具体为：光照射半导体催化剂后，催化剂吸收能量大于其带隙的光，光生空穴和电子随之产生并迁移到催化剂表面，与水发生氧化和还原反应，产生氧气和氢气。光电催化以半导体作为光电极，使产氧和产氢反应分别在阳极和阴极发生，更有利于气体的分离和收集。因此，光电催化水分解是将太阳能转化为化学能的极具潜力的手段，但较低的能量转换效率制约了其应用。

光电催化水分解包含产氢和产氧两个半反应，其中产氧反应涉及四空穴转移的复杂过程，成为总反应的限制步骤。故高性能光阳极的发展至关重要。

近年来，在光阳极表面修饰空穴储存层成为提高其性能的热门方法。但现有技术中常用的空穴储存层MoO₃在碱性溶液中并不稳定，极大地限制了其应用。因此，发展一种能在碱性溶液中稳定存在的空穴储存层极为必要。

此外，空穴储存层的空穴储存容量是影响其效果的重要因素。一方面，空穴储存层从半导体中抽取空穴，实现光生电子-空穴的空间分离，延长了光生空穴的寿命。另一方面，空穴储存层可提高光阳极表面的空穴浓度，从而提升四空穴参与的产氧反应的速率，促进光生空穴的转移。然而，空穴储存层也会带来负面影响。在该层中大量积累的空穴会强烈吸引半导体中的电子，带来光生载流子的严重复合。由此可见，光阳极表面储存的空穴既可促进电荷转移，又可加重电荷复合，二者的竞争决定着光阳极的最终性能。研究表明，上述竞争行为受到光阳极表面空穴储存容量的影响。因此，发展具有合适空穴储存容量的空穴储存层极为必要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种用于光阳极表面的空穴存储层，所述空穴存储层为钴基氧化物纳米颗粒层。

本发明以钴基氧化物纳米颗粒层作为空穴存储层，且能够通过选择钴的价态获得具有不同空穴储存能力的空穴储存层；同时，钴基氧化物在碱性溶液中稳定性良好。

优选地，所述空穴存储层中，钴基氧化物的分布密度为0.5～2μg/cm²，例如0.6μg/cm²、0.8μg/cm²、1μg/cm²、1.5μg/cm²、2μg/cm²等。

空穴储存层中，若钴基氧化物的分布密度过大，可能影响半导体的光吸收，过小则使空穴储存效果不明显。

优选地，所述钴基氧化物包括四氧化三钴或一氧化钴。

优选地，当所述钴基氧化物为四氧化三钴时，其在空穴存储层中的分布密度为1～2μg/cm²。

优选地，当所述钴基氧化物为一氧化钴时，其在空穴存储层中的分布密度为0.5～0.6μg/cm²。

优选地，所述钴基氧化物纳米颗粒的粒径为3～6nm，例如3.5nm、4.0nm、4.5nm、5.0nm、5.5nm等。

本发明对于光阳极中的半导体吸光材料不做具体限定，任何一种本领域技术人员能够获得的半导体吸光材料均可用于本发明。

优选地，所述光阳极中的半导体吸光材料为α-氧化铁薄膜。