钠离子掺杂铋酸铜光阴极的制备及其光电催化性能的研究

金属氧化物光电极被认为在未来太阳能制氢方面具有广阔的前景,但由于其固有的载流子迁移率较低而面临着巨大挑战.铋酸铜(CuBi2O4)光电阴极在光电化学水分解中具有很大的潜力和应用价值,是未来理想的光电阴极材料之一,本文采用喷雾热解法制备CuBi2O4光电阴极,并通过形貌与能级调控实现了光电性能的突破.首先,通过在CuBi2O4光电阴极中进行Na+掺杂,低价态的Na+取代Bi3+位点形成空穴中心,提升了载流子的迁移能力.与此同时,Na+元素的引入使所制备的CuBi2O4光电阴极具有多孔的纳米形貌,有效地缩短了光生载流子至表面的传输距离.其次,通过对Na+掺杂CuBi2O4光电阴极进行氧气煅烧(Na-CuBi2O4-O2),形成金属空位充当电子受体,减少了Na+掺杂引入的氧空位,从而提高空穴密度,进一步增强了电荷分离效率.这种策略使Na-CuBi2O4-O2光电阴极在0.6 V vs.RHE时的光电流密度高达-2.83 mA·cm-2,是未经处理的CuBi2O4光电阴极的15倍(-0.18 mA·cm-2).结合时间分辨荧光光谱、开尔文探针力显微镜与光电化学研究,揭示了Na-CuBi2O4-O2光电阴极具有更高的载流子寿命与更高的表面光电压.这项工作利用元素掺杂与金属空位增强了CuBi2O4光电阴极的电荷分离和传输能力,实现了其光电性能的较大提升,对未来高性能光电阴极的制备具有指导意义.