在水介質(zhì)中將CO2光電化學(xué)(PEC)轉(zhuǎn)化為高能燃料是一種用于儲存太陽能和關(guān)閉碳循環(huán)的創(chuàng)新策略。然而，催化結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)以選擇性和有效地生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物(如CO)仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
在此，蘇州大學(xué)范榮磊、沈明榮、彭揚(yáng)和海南大學(xué)葉巍翔等通過利用TiO2中間層來橋接Au納米顆粒和n+p-Si，制備了一種用于CO生產(chǎn)的高效和高選擇性的Si光電陰極(Au/TiO2/n+p-Si)。
雖然表面Si PN結(jié)能夠調(diào)節(jié)Au和p-Si之間的界面能量并產(chǎn)生高光電壓，但通過ALD沉積的非晶TiO2層可以鈍化表面缺陷以減少Au/n+p-Si界面處的載流子復(fù)合，同時(shí)保護(hù)Si表面免受腐蝕。
在CO產(chǎn)生的選擇性方面，實(shí)驗(yàn)研究和DFT計(jì)算揭示了Au和TiO2層的協(xié)同作用，不僅增強(qiáng)了CO2吸附，而且還通過加速*COOH形成和*CO從活性位點(diǎn)解吸來促進(jìn)CO生成動(dòng)力學(xué)。更重要的是，TiO2層和Au的結(jié)合可以增強(qiáng)LSPR產(chǎn)生的熱載流子的分離，有助于PEC CO2RR中Au納米顆粒產(chǎn)生的熱電子提高CO生產(chǎn)的活性和選擇性。
因此，Au/TiO2/n+p-Si光電陰極的Von為0.24 VRHE，最大FECO為86%；在-0.8 VRHE處CO的部分電流密度為-5.52 mA cm-2，遠(yuǎn)大于包括Au/p-Si、TiO2/p-Si和n+p-Si在內(nèi)的對照光電陰極。
此外，Au/TiO2/n+p-Si光電陰極在恒定光照20小時(shí)下表現(xiàn)出優(yōu)異的CO2還原生成穩(wěn)定性。這些發(fā)現(xiàn)可以用于設(shè)計(jì)PEC的選擇性和效率的等離子體光電陰極，為具有高量子產(chǎn)率的選擇性CO2RR奠定了基礎(chǔ)。
Steering the Pathway of Plasmon-Enhanced Photoelectrochemical CO2 Reduction by Bridging Si and Au Nanoparticles through a TiO2 Interlayer. Small, 2022. DOI: 10.1002/smll.202201882
