CuBi2O4光電極改性策略的研究

李自新，李浩浩，武 翔，孫 龍

(1.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；2.維爾利環保科技集團股份有限公司，江蘇 常州 213125；3.鄭州大學材料科學與工程學院，河南 鄭州 450002)

CuBi2O4的價帶和導帶邊分別來自于Bi 6s和Cu 3d軌道[1]。p型CuBi2O4的禁帶寬度為1.5～1.8 eV，是一種良好的光能吸收劑，有作為光電陰極用于PEC系統的潛力。Arai等人[2]首次在窄帶隙光電催化劑中發現，CuBi2O4是一種具有可見光響應的光電陰極。然而，CuBi2O4的空穴載流子的輸運較差，在很大程度上限制了STH轉換效率。Berglund等人[3]對CuBi2O4進行了綜合評價，并對CuBi2O4半導體的局限性提出了重要的見解。結果表明，CuBi2O4薄膜的光吸收相對較弱，對帶隙以上光子能量的吸收不是急劇增加，而是逐漸增加。也有報道稱，這種半導體的直接帶隙無法確定。因此，CuBi2O4光電陰極的光吸收、載流子的收集能力和穩定性等都需要增強，已經有各種策略來解決其關鍵的局限性。盡管人們對CuBi2O4光電陰極的性能進行了一些改進，但所制備的光電陰極的電流密度仍小于1mA·cm-2，這可能是CuBi2O4的載流子遷移率低、表面表觀復合和固有的不穩定性所致[3-4]。目前主要有以下幾種方法用于改善CuBi2O4的性能。

1 在CuBi2O4和導電襯底之間插入 透明的空穴傳輸層

在FTO和CuBi2O4之間引入更有利的接觸層可以提高其PEC性能。Cao等人[5]在FTO和CuBi2O4之間使用了Au薄層，并報道了CuBi2O4晶體薄膜的質量有改善。CuBi2O4/Au界面有助于光激發空穴轉移到背面接觸[圖1(a)]。FTO/Au/CuBi2O4陰極在0.4V(vs. RHE)時的光電流為-0.3mA·cm-2，是FTO/CuBi2O4光電極的2倍多[圖1(b)]。Lee等人[6]發現，在CuBi2O4和FTO之間沉積NiO薄膜，可以提高CuBi2O4光電陰極的PEC性能。……