n型ポリマー光触媒における浅いトラップ状態による光触媒性能に関する洞察

Qiushi Ruan¹, Tina Miao^1,2, Hui Wang¹

¹Department of Chemical Engineering , University College London (UCL) , London WC1E 7JE , United Kingdom.

Journal of the American Chemical Society

|January 16, 2020

まとめ

この研究は,欠陥を導入することによって,炭素窒素 (g-C3N4) を水素生成の光電極として強化します. この欠陥に富んだg-C3N4は伝導性と電荷の安定性を大幅に改善し,効率的な光電極性能を可能にします.

科学分野:

材料科学
光触媒
電気化学

背景:

グラフィット性炭酸化物 (g-C3N4) は,光触媒,特にH2進化のための有望な半導体である.
光電化学システムにおける光電極としての応用は,その典型的なn型行動により,光電極の機能を好むため,困難である.
フォトカソードとしてのn型半導体に影響を与える要因を理解することは,H2生産技術の進歩に不可欠です.

研究の目的:

フォトアノード材料からn型g-C3N4を効率的なフォトカソードに変換するための効果的な戦略を開発する.
導入された電子トラップ状態がフォトカソード性能を向上させる役割を調査する.
欠陥工学によるg-C3N4における観察された光電極の行動の背後にある基本的メカニズムを解明する.

主な方法:

N-欠陥とC-OH末端群を導入することによって,欠陥に富んだg-C3N4 (def-g-C3N4) を合成する.
導電性測定とオープン回路光電衰退 (OCVD) を用いた電子特性の特徴付け.
Mott-Schottky (MS) グラフと一時吸収スペクトロスコーピー (TAS) を含むスペクトロスコーピーの分析により,電荷の動態を検出する.

主要な成果:

欠陥エンジニアリングは,原始のg-C3N4と比較して,伝導性を2度,電荷キャリアの寿命を3度大幅に高めました.
def-g-C3N4は,RHEに対して0Vで約-10μA/cm2の負の光電流密度を持つ明確な光電極の動作を示した.
マイクロ秒の時間スケールで長寿命の浅いトラップされた電子は,光電極の性能の鍵として特定されました.

結論:

N-欠陥とC-OH群を介して電子トラップ状態を導入すると,n型g-C3N4を効率的な光電極材料に効果的に変換します.
充電伝導性の向上と充電キャリアの寿命の延長は,光電極の機能を達成するために不可欠です.
この研究は,光電化学アプリケーションのための光アノドと光カトドの候補としてg-C3N4の二重の可能性を示しています.

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