金属氧化物光电极降低制氢成本

据外国媒体报道：由于诸多原因，化石燃料的时代终将结束。作为化石燃料的替代品，氢气具有极大地吸引力：巨大的能量密度、可以进一步储存或处理，例如制成甲烷或者使用燃料电池直接提供清洁电力。仅使用阳光生产的氢气可达到完全可再生，零碳排放。

HZB太阳能燃料研究所的科学家将研究重点放在复合金属氧化物半导体上，对其机理做了研究，并取得了一定突破。

类似于天然光合作用的过程，阳光也可以用于“人造叶”，将水分解成氧和氢。“人造叶”由光半导体材料组成，其光解效率高达15%以上，然而，这些效率记录是使用昂贵的系统获得的，这些系统在水溶液中还不够稳定，容易分解。为了实现商业化，需要减低成本，并且增强稳定性。

HZB太阳能研究所专家Fatwa Abdi博士燃料指出，复合金属氧化物半导体是人造叶片的良好候选物，因为它们相对便宜且在水溶液中稳定。到目前为止，基于金属氧化物的光电解系统只有中等效率（<8%），其中一个原因是它们的电荷载流子（电子和/或空穴）迁移率较差，比传统的半导体（例如砷化镓或硅）低了10万倍，更糟糕的是，金属氧化物中的电荷载体通常只有纳秒或甚至皮秒的寿命，其中很多电荷在协助水分子分解之前就消失了。

克服这个限制的一个选择是将沉积后的金属氧化物层在氢气氛下的热处理。atwa Abdi及其同事现在已经调查了这种处理如何影响金属氧化物光电极BiVO4的寿命、运输性能和缺陷。

时间-电导率测量显示，与原始BiVO4相比，氢处理后的的BiVO4中的电子和空穴体积和寿命增加了两倍，其结果是阳光下的整体光电流大大提高。进一步测量以及沙特阿拉伯的KAUST同事的理论计算提供的证据表明，氢气氛围中热处理后，金属氧化物BiVO4中的大部分点缺陷消失或者失去活性，晶体重组或丢失的机会较少，延长了电荷载体的寿命，有助于水的分解。

本结果发表在2017年8月25日出版的Advanced Energy Materials上，论文标题为：Enhancing Charge Carrier Lifetime in Metal Oxide Photoelectrodes through Mild Hydrogen Treatment。DOI: 10.1002/aenm.201701536。