湖南大学：4H-SiC单晶一体化光阳极制备及光电催化水分解研究
原标题：湖南大学：4H-SiC单晶一体化光阳极制备及光电催化水分解研究
光电催化（PEC）水分解作为清洁可再生氢能非常有前景的制备方法之一，是催化领域重要课题。在发生水分解反应时，包括阴极的还原析氢和阳极的氧化析氧两个半反应，阳极的析氧反应是四电子转移过程，较高的反应动力学势垒严重限制了光电化学水分解的效率，此外，光电催化水分解反应还存在催化剂材料光吸收效率低，载流子复合率高，长时间稳定性差，产生的气体容易吸附催化剂表面等麻烦。因此研究开发出高催化性能、高稳定性的光阳极催化剂材料迫在眉睫。
图1. 一体化4H-SiC光阳极的载流子传输示意图
受到光纤对光波折射约束传递的启发，张辉教授团队与宁波工程学院杨为佑研究员团队合作，通过对N型4H-SiC单晶片进行简单的两步电化学刻蚀工艺，在4H-SiC单晶片上引入了纳米孔穴阵列结构，得到了一种以4H-SiC单晶为主体的富含纳米孔穴阵列活性层的一体化光阳极。 该光阳极因其规整的纳米孔穴阵列结构、一体化的载流子传输路径及其对可见光吸收能力的显著提升，在普适的0.5M NaSO4电解液三电极电化学测试中，其光电流密度达到了3.20 mA/cm2 (vs RHE 1.23 V)，起始电位（Onset Potential）为-0.016 V (vs RHE)，其优异的光电催化性能也远高于已经报道的碳化硅光阳极，获得了与传统的光电催化光阳极材料相比非常具有竞争力的催化性能。
图2. 一体化4H-SiC光阳极纳米孔穴阵列的SEM表面结构(a)，断面(b)以及图(b)中A, B, C区域分别的放大SEM (c), (d), (e)
图3. (a) 一体化4H-SiC光阳极的LSV曲线，(b) TC暂态曲线，(c) 300 s的I-t曲线，(d) 7200 s的long-term 稳定性测试曲线
该成果以湖南大学材料科学与工程学院为第一单位，博士研究生徐尚为第一作者，蒋福林助理教授和宁波工程学院陈善亮副教授为共同通讯作者发表在ACS Appl. Mater. Interfaces (IF=8.456)上，论文题目为“Single-Crystal Integrated Photoanodes Based on 4H-SiC Nanohole Arrays for Boosting Photoelectrochemical Water Splitting Activity”。 （来源：湖南大学材料学院）
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c02893
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