蔣涵林 于希辰 范 勇 吉 祥 王海霞

（蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院工學(xué)院 江蘇蘇州 215325）

引言

目前化石燃料是工業(yè)界的主要能源供給來源，例如常規(guī)的煤炭、石油等。在中國，煤炭為主要能源，在能源結(jié)構(gòu)中占比75%，世界能源結(jié)構(gòu)中，煤炭、石油類能源也是主要的產(chǎn)能來源。但是該類化石能源會(huì)對環(huán)境造成污染，所以尋找清潔高效的能源來替代此類不可再生能源成為一個(gè)熱門的課題。當(dāng)前，清潔能源主要以風(fēng)能、太陽能、氫能、核能為主。在上述清潔能源中，氫能具有以下優(yōu)點(diǎn)：氫可以氣、液、固三種形式存在，便于貯存與運(yùn)輸。氫氣的能量轉(zhuǎn)換效率高，能源浪費(fèi)不多。同時(shí)作為一種清潔能源，燃燒時(shí)，水是唯一產(chǎn)物，不會(huì)污染環(huán)境且屬于可再生能源。因而氫氣成為清潔能源中一種較優(yōu)的選擇。

當(dāng)前，正常制備氫氣的方法有，電解水、光催化分解水、光電催化分解水三種，第一種制備方式耗能大，第二種光催化分解水的制備方式，氫氣產(chǎn)量較低，因此能量轉(zhuǎn)換的效率不高，不適合工業(yè)界的大量供能，第三種光電催化分解水方式不會(huì)有過大的能耗，同時(shí)能量轉(zhuǎn)換效率相較光催化方式高出很多。而在光電催化分解水中光陽極的材料選取十分關(guān)鍵，各類材料中硫化鎘具有較窄的能帶寬度（2.41eV）及合適的能帶位置，它成為制備光陽極的優(yōu)選材料。本文主要對使用硫化鎘制備光陽極的光電催化分解方式研究進(jìn)展進(jìn)行分析和總結(jié)。

一、研究進(jìn)展

當(dāng)前，使用n型半導(dǎo)體硫化鎘作為陽極分解水制備氫氣被廣泛研究，但僅使用硫化鎘作為光陽極存在缺陷，由于制備過程中電子與空穴易于復(fù)合，使得能量轉(zhuǎn)換效率較低。近年來，為克服此類缺陷，許多實(shí)驗(yàn)對硫化鎘特性進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)方式主要有如下幾種：

在硫化鎘光陽極材料中進(jìn)行摻雜。當(dāng)在硫化鎘中摻雜其它元素，使光陽極材料的能帶寬度變小，從而使得材料所能吸收的波長長度增加，能夠吸收較遠(yuǎn)波長的光，在相同的光照條件下，材料對于光的吸收效率得到提升。Li等使用鎳摻雜硫化鎘，發(fā)現(xiàn)較少摻雜時(shí)，主要是原子的替位摻雜，會(huì)形成淺層表面態(tài)，提升表面催化能力，較多摻雜時(shí)，會(huì)產(chǎn)生間隙式摻雜，造成復(fù)合增加影響性能[1]。在此基礎(chǔ)上，Yan等進(jìn)一步使用Ni，Mo共同摻雜提升CdS的光分解水性能。由于Ni，Mo的協(xié)同作用，其相比于單一的摻雜具有更優(yōu)的性能，在365納米的波長下表面量子轉(zhuǎn)化效率能夠達(dá)到42%[2]。

除在硫化鎘中摻雜其它元素外，設(shè)計(jì)硫化鎘光陽極的納米結(jié)構(gòu)也可改變光陽極的特性。例如，可以使用電子沉積法，水熱法等方式制備納米棒、納米線、納米陣列等光陽極結(jié)構(gòu)，增大接觸面積，提供載流子傳輸通道，使得電子空穴的傳輸效率得到提高 。Chen等使用原位沉積法將非貴金屬鈷沉積于硫化鎘納米棒上，這一方式不僅提升了光生電子空穴分離的效率，同時(shí)降低了氫氣制備過程中產(chǎn)生的過電勢，在負(fù)載1%重量比的催化劑下，其效率相比較純的硫化鎘材料提升了17倍[3]。

此外，添加負(fù)載催化劑加快反應(yīng)速度，可以進(jìn)一步提升光解水制備氫氣的效率。Chu等使用鈷硫化合物催化劑修飾硫化鎘，在相同光照條件下，產(chǎn)生氫氣的效率達(dá)到168.6μmolh-1，在相同光照條件下效率為CdS-Pt結(jié)構(gòu)的2.7倍。Zhu等使用β-Ni(OH)2催化劑修飾硫化鎘，此種電催化劑能加速載流子傳輸，提高催化性能，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，相比于純硫化鎘結(jié)構(gòu)，氫氣的產(chǎn)生效率提升了8倍。

硫化鎘光陽極材料與其它材料結(jié)構(gòu)構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，防止光解水過程中分離的電子和空穴重新復(fù)合，加快水的分解效率。Sun等將硫化鎘、氧化鎢、Co-Pi復(fù)合為WO3/CdS/Co-Pi異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，由于硫化鎘的導(dǎo)帶比氧化鎢更高，使得硫化鎘導(dǎo)帶中的電子可以流向氧化鎢，有效地防止已經(jīng)分離的空穴電子重新復(fù)合。同時(shí)， 復(fù)合所得異質(zhì)結(jié)的禁帶寬度為2.32eV，相較硫化鎘（2.41eV）、氧化鎢（2.71eV）的禁帶寬度更小，因此可以吸收可見光范圍增大，較好地提升了效率。Wang等使用氧化鎢及硫化鎘構(gòu)成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，并將非晶的二氧化鈦覆蓋其表面。該結(jié)構(gòu)使得吸收光的波長范圍拓寬至540nm，提升光吸收效率。同時(shí)，極薄的二氧化鈦層提升了材料的光照穩(wěn)定性，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽光照條件下，1小時(shí)內(nèi)電流僅降低了15%，材料工作穩(wěn)定性較好。

二、總結(jié)與展望

為使用清潔能源氫氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石燃料，如何高效地分解水制備氫氣成為熱門的研究課題，而硫化鎘由于具有合適的禁帶寬度，良好的可見光吸收能力，在光電催化分解水所用到的光陽極中有廣泛的應(yīng)用。但由于硫化鎘易氧化，對于光的散射能力較差，這些缺陷限制了光解水制備氫氣的效率。因此，如何改進(jìn)硫化鎘光陽極的結(jié)構(gòu)，克服上述缺陷，成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)，也是今后硫化鎘光陽極發(fā)展研究道路上的突破方向。