g-C_3N_4基多功能层光阳极在光电化学水分解中的应用（英文）

光电化学分解水制氢可以一并解决环境问题和能源危机,因而成为研究热点.由于TiO_2 禁带宽度较大,不能有效吸收太阳光中的可见光,使光电化学分解水制氢的应用受限.g-C_3N_4的禁带宽度约为2.7 e V,能有效吸收可见光,但g-C_3N_4薄膜制备研究较少.我们通过热聚缩合法直接在FTO导电玻璃上制备出g-C_3N_4薄膜,发现其光电化学分解水制氢稳定性不高,选择易制备的TiO_2 作为保护层可以提高g-C_3N_4的耐用性.此外,为提高g-C_3N_4光生电子空穴对的分离能力,依靠Co-Pi对光生空穴的捕获作用而将其覆盖在最外层.因此本文首次制备一种新型的g-C_3N_4/TiO_2 /Co-Pi光阳极用于光电化学分解水制氢,其中g-C_3N_4用作光吸收层,TiO_2 用作保护层,Co-Pi用作空穴捕获层.并在此基础上,通过扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射(XRD),紫外可见光谱(UV-Vis)等手段研究了g-C_3N_4/TiO_2 /Co-Pi光阳极的形貌特征和光电化学性能.SEM、EDS和XRD结果表明,g-C_3N_4/TiO_2 /Co-Pi光阳极被成功制备在了FTO导电玻璃上,厚度约为3μm.UV-Vis测试表明,g-C_3N_4的光吸收边约为470 nm,可以有效地吸收可见光,并且g-C_3N_4的框架结构使光多次反射折射增加了光的捕获能力,由此可见,g-C_3N_4能够发挥很好的光吸收层作用.通过对g-C_3N_4光阳极,g-C_3N_4/TiO_2 光阳极和g-C_3N_4/TiO_2 /Co-Pi光阳极的电流电压测试发现,g-C_3N_4/TiO_2 光阳极的光电流密度小于g-C_3N_4光阳极,而g-C_3N_4/TiO_2 /Co-Pi光阳极的光电流密在可逆氢电极1.1 V下达到了0.346 mA?cm–2,约为单独g-C_3N_4光阳极的3.6倍.这说明Co-Pi是提升g-C_3N_4光电化学性能的主要因素.电化学阻抗测试结果发现,g-C_3N_4/TiO_2 /Co-Pi光阳极的界面电荷转移电阻小于g-C_3N_4光阳极的,这表明g-C_3N_4/TiO_2 /Co-Pi光阳极界面处载流子转移较快,同时也能促进内部光生电子空穴对的分离,整体性能的提高应该主要归因于Co-Pi对光生空穴的捕获作用.恒电压时间测试展示出g-C_3N_4/TiO_2 /Co-Pi光阳极的光电流密度在2 h测试过程中没有明显下降,表明g-C_3N_4/TiO_2 /Co-Pi光阳极是相当稳定的,具有良好的耐用性,归因于TiO_2 和Co-Pi的共同保护作用,主要归因于TiO_2 层对FTO导电玻璃上的g-C_3N_4薄膜保护,从电化学沉积Co-Pi到所有测试结束.总体而言,g-C_3N_4/TiO_2 /Co-Pi光阳极加强的光电化学性能归因于以下几个因素:(1)g-C_3N_4优异的光吸收能力;(2)TiO_2 稳定的保护提升了g-C_3N_4薄膜的耐用性;(3)Co–Pi对光生空穴的捕获有效促进了光生电子空穴对的分离.

Multifarious function layers photoanode based on g-C3N4 for photoelectrochemical water splitting

We report on a novel g-C₃N₄/TiO₂/Co-Pi photoanode combining a TiO₂ protection layer, Co-Pi hole capture layer, and g-C₃N₄ light-absorption layer layer for photoelectrochemical (PEC) water splitting to generate hydrogen for the first time. This new photoanode with three function layers exhibits enhanced PEC performance with a photocurrent density of 0.346 mA·cm^?2 at 1.1 V (vs. RHE), which is approximately 3.6 times that of pure g-C₃N₄ photoanode. The enhanced PEC performance of g-C₃N₄/TiO₂/Co-Pi photoanode benefits from the following: (1) excellent visible light absorption of g-C₃N₄; (2) stable protection of TiO₂ to improve the durability of g-C₃N₄ film; and (3) photogenerated holes capture Co-Pi to separate photogenerated electron-hole pairs efficiently. This promising multifarious function layers structure provides a new perspective for PEC water splitting to generate hydrogen.