赤鐵礦光電極改性策略的研究

余文緣

(溫州大學化學與材料工程學院，浙江省碳材料技術研究重點實驗室，浙江 溫州 325000)

隨著PEC分解水的快速發展，研究者對能在可見光下工作的材料的興趣逐漸增加。盡管已開展了大量的研究工作，但由于很難找到一種理想材料，導致這一領域的研究進展相對緩慢，因此具有較小帶隙能的材料對于有效的分解水系統至關重要。赤鐵礦(α-Fe2O3)因具有高的天然地球豐度、低廉的價格、無毒性、在很寬的pH范圍內有良好的化學穩定性[1]等優點，受到了大家的廣泛關注。此外，它的帶隙值介于1.9eV和2.32 eV之間，在可見光區有吸收(可以吸收600nm以上的光)，因此其理論ηSTH＞15%，并且預期的電流密度可以達到 14 mA·cm-2[2]。

但α-Fe2O3依舊存在許多不足，導致其性能從未達到預期。例如導帶位置過正(約為+0.4V)[3]，而價帶位置位于+2.5V左右[4]，因此只能在存在外部偏壓的情況下用于PEC水氧化。此外，α-Fe2O3還有其它缺點，具體包括以下幾個方面：1)由于其電荷載流子的有效質量大，因而會遭受低電導率和大量載流子的快速復合的困擾，導致電荷載流子的壽命短(約1ps)[5]；2)α-Fe2O3的相對吸收系數(103cm-1數量級 )較低，電阻率較高 (10-14～10-6Ω·cm-1)，因此將赤鐵礦以薄膜形式制在導電基底上時，薄膜不能太薄，一般需要至少400～500 nm的薄膜，才能獲得最佳的光吸收；3)緩慢的電荷載流子遷移率(約0.2 cm2·V-1·s-1)[6]，導致空穴的擴散長度非常短。例如，TiO2和WO3的空穴擴散長度分別為100nm和100～150nm，而α-Fe2O3的空穴擴散長度只有2～4nm[7]。α-Fe2O3較長的光吸收深度和較短的載流子擴散長度之間的矛盾，嚴重限制了其電荷分離和收集的效率[8]；……