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天津师范大学物理与材料科学学院王立群团队在《ACS Applied Materials & Interfaces》发表一文章系统研究了一种铜离子注入和氮化碳修饰协同增强的TiO2纳米管阵列，并将其与钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cell, PSC)集成，用于高效和稳定的无偏压PEC水分解制氢。
光电化学(photoelectrochemical,PEC)水分解是一种将太阳能转化为氢能的有效方法，对全球能源的可持续发展具有十分重要的意义。在PEC水分解过程中，光阳极所涉及的析氧反应(oxygen evolution reaction, OER)由于涉及复杂的四电子机制，导致其动力学过程十分缓慢，因此极大地限制了整个PEC水分解的效率。此外，目前人们普遍采用的光氧阳极材料，如TiO2，还存在可见光响应低和激子复合率高等缺点。
鉴于此，物理与材料科学学院的王立群团队联合天津大学梁骥教授和南开大学蔡宏琨教授发展了一种Cu离子注入和氮化碳(polymeric carbon nitride, PCN)修饰的TiO2纳米管阵列，并将其与PSC进行集成，用于高效和稳定的无偏压PEC水分解制氢。该工作通过两步法，即离子注入和真空浸渍，成功制备了Cu离子掺杂和PCN纳米片修饰的TiO2纳米管阵列，如图1所示。值得一提的是该阵列光阳极以Ti网基底，这为后续与PSC进行集成提供了基础。
图1 材料制备过程示意图
相关实验结果证实，与纯TiO2阵列相比，经过Cu离子注入和PCN纳米片修饰的光阳极表现出增强的可见光吸收以及窄化的禁带宽度，这对于高效的太阳能利用具有重要意义。此外，改性后的光阳极还表现出了加速的激子分离和载流子传输能力。在三电极系统的PEC测试中，经过改性的TiO2光阳极表现出优异的性能，其光电流密度、太阳能-氢能转化效率以及偏压光电效率分别达1.89mA cm−2(1.23 VRHE)、2.31%和1.20%(0.46VRHE)。此外，由于该TiO2纳米管阵列是以钛网为基底的，因此其能够和PSC实现有效集成，从而达到高效和稳定的无偏压水分解制氢(图2a-b)。
图2 a)PEC/PSC集成电池的机理示意图；b)PEC/PSC集成电池在一个连续8小时的PEC测试中的J−t曲线
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