案例分享：原位生长构筑Sb2S3@CdSexS1-x准一维S型异质结光阳极及其光电化学特性研究

近日，西北大学苗慧课题组在原位生长构筑Sb2S3@CdSexS1-x准一维S型异质结光阳极及其光电化学特性研究方面取得进展，研究成果以“Fabricating S-scheme Sb2S3@CdSexS1-x quasi-one-dimensional heterojunction photoanodes by in-situ growth strategy towards photoelectrochemical water splitting”为题发表在国际期刊Journal of Materials Science & Technology。西北大学物理学院为该论文*一单位，刘康德博士研究生为*一作者，苗慧教授为通讯作者。今天小卓为大家分享该研究成果，希望对您在纳米异质结器件光电性质研究方面带来一些灵感和启发。

应用方向：纳米异质结、光电器件、纳米材料

正文

如今，能源和环境问题在社会中变得日益突出，发展清洁和环保的能源符合生态文明和能源建设的要求，这在过去几十年中吸引了众多研究者的关注。硫化锑作为良好的光吸收材料（可见光波段：>105 cm-1），近年来在光电催化领域逐步受到研究人员的广泛关注。然而，大量的深能级缺陷为光生载流子提供了丰富的复合位点，严重限制了光电化学性能的提升。

Sb2S3由一维带状[Sb4S6]n单元组成，其在[010]和[100]方向通过范德瓦尔斯力结合，在[001]方向由强的Sb-S共价键连结，使得Sb2S3具有特殊的准一维结构各向异性，导致光生载流子沿不同方向的迁移率具有很大差别，[hk1]取向较[hk0]取向具有更高的载流子迁移率。因此制备具有[hk1]取向的一维Sb2S3纳米结构具有重要意义。

该论文首先采用两步气相输运沉积和快速冷却技术制备得到高质量的Sb2S3纳米棒。随后采用化学浴沉积和原位硒化策略，在Sb2S3纳米棒光电极表面成功构建准一维S型Sb2S3@CdSexS1-x异质结。研究表明采用两步气相输运沉积制备的薄膜光电极较一步快速冷却制备的薄膜光电极具有更大的电化学活性面积和更加显著的[hk1]优势取向生长。

图1 Sb2S3@CdSexS1-x复合光阳极的制备流程示意图

图2（a）Sb2S3 base和（b）Sb2S3 NRs的SEM图；（c）双电层电容测试图和（d）晶格纹理系数图

图3 Sb2S3与Sb2S3@CdSexS1-x光电极的（a）连续开关光下的LSV测试曲线、（b）连续开关光下的IT测试曲线、（c）Nyquist图、（d）Bode图、（e）IPCE和APCE测试曲线及（f）ABPE测试曲线

图4 Sb2S3@CdSexS1-x光电极的S型载流子转移和利用结构示意图

Sb2S3@CdSexS1-x光电阳极的光电化学性能进行了测试，结果如图3所示。如图3(a)所示，在线性扫描伏安法（LSV）测试后发现，Sb2S3的光电流响应较低，为0.61 mA cm-2，且其暗电流随着施加偏压的增加而增加。通过化学浴方法在Sb2S3表面复合一层CdS后，形成的异质结结构有效地减缓了暗电流的产生。通过原位硒化构建的S型Sb2S3@CdSexS1-x展现出优异的光电流响应（在1.23 VRHE时为1.61 mA cm-2）。暗电流得到了有效降低，Sb2S3@CdSexS1-x的光电响应性能得到了提升。600秒的光学稳定性测试（图3(b)）表明，Sb2S3@CdSexS1-x光电极具有优异的稳定性和光电响应性能。在600秒内，光生电流保持了初始电流的90.5%。Sb2S3@CdSexS1-x优异的光电化学特性主要是基于形成的准一维S型异质结促进光生载流子分离，有效抑制了Sb2S3深能级缺陷导致其光生载流子严重复合的弊端。

研究结果表明：本工作采用两步气相输运沉积结合化学浴沉积和原位硒化策略，在Sb2S3纳米棒光电极表面成功构建准一维S型Sb2S3@CdSexS1-x异质结，有效抑制了Sb2S3深能级缺陷导致其光生载流子严重复合的弊端，实现光生载流子高效分离。此外原位硒化有助于光电化学性能与稳定性的提升。研究结果为开发和设计高效稳定的Sb2S3基光电器件提供了有效的策略。

关于此文章的更多细节请点击以下原文链接：DOI: 10.1016/j.jmst.2024.02.049

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作者简介

苗慧 西北大学物理学院副教授、硕士生导师。近年来主要从事金属硫化物、硒化物、硒硫化物等纳米材料用于光电化学领域的研究。先后主持和参与国家自然科学基金，省自然科学基金，国家重点实验室开放基金项目等10余项。在J. Mater. Sci. Technol., Chem. Eng. J., J. Colloid Interface Sci., ACS Appl. Mater. Interfaces, Sep. Purif. Technol., Langmuir等期刊发表SCI论文50余篇，授权国家发明专利10余件。

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