3D多孔碳纺织物上具有MoS2纳米片/TiO2光阳极的高性能光电化学电池

这项研究由DongheePark(韩国科学技术研究院后硅半导体研究所光电材料与器件中心)和 Dong Ick Son(韩国科学技术研究院先进复合材料研究所)领导。技术;韩国科学技术大学纳米材料与纳米科学系 KIST 学院)

最近，许多科学家一直在开发环保能源来替代化石燃料，以最大限度地减少威胁全球生态系统的全球变暖。其中一项值得注意的研究是光电化学(PEC)电池，它利用无限的太阳能作为能源，通过 PEC 反应产生环保的氢气。PEC工艺是一种光诱导反应，通过水分解产生氢气，通过半导体电极上的光催化反应产生环保的氢气。此外，它还表现出极高的太阳能到氢气(STH)的转换效率。因此，PEC工艺比基于使用连续电力的电催化的水分解方法更有效，因为PEC工艺使用太阳能。PEC 电池中增大的光电阳极表面积是补偿光生电子空穴对高复合损失的众所周知的方法。纳米结构的光活性材料可以扩大与电解质的比表面积并增加光吸收。尽管在设计光敏材料层方面做出了这些努力，但实际应用中氢气产生的改进仍然具有挑战性。

碳纤维纺织品如碳纤维束或碳纺织物(CSF)因其化学和机械稳定性、柔韧性、导电性，尤其是孔隙率而被认为是 PEC 应用中最有前途的电极材料之一。当在之前的研究中采用水热方法时，碳纤维纺织品上的装饰材料以纳米片或纳米棒的形式生长，从而在顶部提供了更大的表面积并增强了光化学性能。与刚性和平面基材相比，它们的多孔结构可以简化大面积 3D 复合结构的制造，并扩大与电解质相互作用的界面面积。这些结果表明，优化作为基材的多孔碳纺织品上的纳米结构至关重要;然而，涂层形貌与PEC性能之间的相关性尚未被研究。

同时，MoS 2已被应用于电池、电子和催化剂等各个领域。考虑到光学和结构特性， MoS 2作为PEC电池系统的光电阳极具有优势。MoS 2的导带(CB)高于H + /H 2的还原电位(-4.44 eV)，MoS 2的价带低于O 2 /H 2 O的氧化电位(-5.67 eV)。 eV) 在真空水平。MoS 2的带隙为0.86eV至1.9eV，具体取决于结构或厚度。基于MoS 2的异质结构与其他半导体可有效促进氢的产生。这些结果还表明，应优化底层的涂层形态以合成顶层。

在本研究中，介绍了3D CSF 上带有 MoS 2的光电阳极的 PEC 性能以及 MoS 2涂层形态对 PEC 性能的影响。采用低温水热涂覆法制备了3D多孔MoS 2 /CSF光阳极。当根据MoS 2前驱体的量和水热生长时间优化MoS 2涂层形貌时，CSF上的膜状MoS 2具有最大的表面积和最高的光电流密度。此外，使用底层( TiO 2 )溅射工艺和顶层(MoS 2 )水热合成工艺在3D多孔CSF上制备了共形MoS 2 /TiO 2异质结结构。与具有MoS 2 /CSF结构的PEC电池相比，具有MoS 2 /TiO 2 /CSF光阳极的PEC电池的PEC性能进一步提高。

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