铋铜硫矿化合物半导体Cu3BiS3-BiVO4集成半导体器件用于高效人工光合作用制氢产氧

半导体研究院江丰研究员课题组在《Nature Communications》发表代表性科研成果

新型高效稳定的可大面积化的太阳光电水解制氢产氧电极体系

2021-06-24 14:39:47
科学研究

近日,我校“青年拔尖人才”,半导体科学技术研究院江丰研究员课题组在三元铜基化合物半导体铜铋硫(Cu3BiS3)人工光合作用水解制氢领域取得重要进展,在Nature子刊《Nature Communications》(影响因子:12.121) 在线发表题为“Wittichenite semiconductor of Cu3BiS3 films for efficient hydrogen evolution from solar driven photoelectrochemical water splitting” 的学术论文。江丰研究员是论文独立通讯作者,江丰研究员课题组2019级博士研究生黄定旺是论文第一作者,我校是论文独立完成单位。

人工光合成,即太阳光电化学分解水产氢制氧是一种极具前景的将太阳能转换为绿色氢能源的方式。人工光合作用水解制氢产氧是一种绿色环保,成本低廉,具有广阔市场前景的产氢方式。寻找到一种无毒环保、环境友好且成本低廉的无机化合物半导体作为光电化学分解水产氢制氧的光电极材料是研究者们追求的目标。

铋铜硫矿化合物半导体Cu3BiS3十分适合用于制备光电化学分解水光阴极。其具有合适的禁带宽度(1.5-1.8 eV),较高的光吸收系数(>104 cm-1)以及可观的载流子浓度(2×1016 cm-3)。 早在2017年,江丰就预测三元铜基化合物半导体Cu3BiS3必将有着优异的太阳能制氢潜能,2017年就着手布局三元铜基化合物半导体人工光合作用制氢的研究工作。经过将近4年的持续研究工作,终于取得了令人振奋的结果。

在本论文中,江丰研究员及其研究团队发现Cu3BiS3基光阴极表现出0.9 VRHE的超高开启电压,7 mA/cm2的光电流密度以及1.7%的ABPE转换效率。这是目前报道的Cu3BiS3基光阴极的世界最高ABPE效率(是原世界最高ABPE效率的70倍)。另外,由于其具有的较高开启电压,十分适合与诸如BiVO4等光阳极串联制备成串联无偏压太阳光全解水制氢产氧器件。在此工作中,制备的Cu3BiS3-BiVO4串联电极体系太阳能制氢效率STH达到2%以上,器件工作60 小时后效率没有较大程度的下降。这是Cu3BiS3基自驱动太阳光全解水制氢产氧串联电极体系的首次报道,证明了其巨大的人工光合作用制氢的应用潜力。

除此之外,江丰研究员研究团队还验证了Cu3BiS3-BiVO4串联电极体系的可扩展性,将实验室尺寸的串联单元扩大为5*5 cm2尺寸的大面积太阳光直接全水解制氢产氧器件。且产氢效率及工作稳定性并未出现明显降低,初步证实了其在大规模工业化太阳光制氢场景中应用的可行性。目前10*10cm2 的大面积Cu3BiS3-BiVO4串联电极体系户外自然太阳光水解制氢的应用研究正在进行中,进展顺利。每天自然阳光8小时照射下的制氢工作性能表现优异,相关研究工作正稳步推进,非常有希望实现落地实际应用。

这项工作为Cu3BiS3光电极的研究提供了一个里程碑式的起点,首次将三元铜基化合物半导体Cu3BiS3太阳光水解制氢效率提升到了可实际应用化的范畴,也为三元铜基化合物半导体Cu3BiS3薄膜电极人工光合作用制氢应用研究拉开了序幕。审稿人积极评价此项工作“This manuscript has novelty in that it has created a tandem device with a new photocathode material Cu3BiS3. The authors achieved a photocurrent density (7 mA/cm2 at 0 VRHE) 70 times higher than the previously reported peak value (0.1 mA/cm2 at 0 VRHE) for the Cu3BiS3 photocathode”。

江丰研究员自2017年3月入职澳门新濠天地注册以来,组建人工光合作用太阳光水解制氢产氧半导体集成器件课题组,连续取得多项代表性成果,以独立通讯作者身份在Nature Comm.;Energy Environ. Sci.;ACS Energy Lett.; ACS Catal.;Appl. Catal. B.-Environ.;Chem. Eng. J.等多个国际权威期刊发表近20篇研究论文,澳门新濠天地注册均为论文的第一且独立通讯单位。

课题组网站:https://www.x-mol.com/groups/jiang_feng

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-24060-5

作者/通讯员:龚颖欣 | 来源:半导体科学技术研究院 | 编辑:杨柳青