NML研究文章 | MoS2/WSe2二维原子晶体异质结:有效提高光电解水阴极性能


本文亮点

1  采用二维原子晶体原位转移方法构造P型WSe2和N型MoS2的垂直异质结光电解水阴极。

2   用微区原位光电化学测量方法来表征微米尺度异质结的光电解水本征特性。

3  基于其可见光波段的光吸收和异质结内建电场的自驱动作用,MoS2/WSe2异质结构展现了优异的光电催化性能:和单层材料的光电催化特性相比,其光电解水电流高出5.6倍,入射光子电流转化效率(IPCE)高出50%。


内容简介

二维原子晶体由于具有独特而优异的光电化学性能,在高性能晶体管、光电探测、柔性电子、能源转化和储存等方向都具有重要的应用价值。在光电解水制氢领域,由于现有的光电阴极材料存在效率低、价格昂贵的问题,一直无法推进产业应用。

二维原子晶体具有可见光波段吸收、光催化效率高等优点,采用二维原子晶体异质结可进一步降低驱动电压,提高光生载流子的分离效率,其可能是一种优异的水分解电极材料。

中山大学张宇副教授的研究团队采用P型WSe2和N型MoS2构造出垂直异质结光电解水阴极,获得优异的光电解水性能。

采用二维原子晶体原位转移的方法将两片微米级别的单层MoS2和WSe2堆叠构造异质结,并结合显微镜采用原位微区表征平台对微区的异质结构的光电解水本征特性进行精确测量,此方法能够准确分析异质结在光电解水过程中所起作用,是研究水分解机理分析的一种新手段。

MoS2/WSe2异质结展现出远优于单层材料的光电催化特性:光电解水电流高出5倍,IPCE效率高出50%,达0.3%,光吸收范围覆盖可见光波段。该研究结果表明MoS2/WSe2异质结在光电水分解电极材料上具有很好的应用潜力。


图文导读

1  器件制造

(a)MoS2/WSe2异质结和(b)原位微区光电化学分析平台的示意图。

2  双层异质结的光电化学(PEC)性能

MoS2/WSe2异质结的光电解水特性表征及其与单层WSe2和单层MoS2的性能比较。

(a)光电解水电流与电压的关系曲线;(b)光响应曲线;(c)光电解水电流的光谱响应曲线;(d)IPCE效率的光谱响应曲线。显然,异质结构的性能远高于单层二维材料。

3  双层异质结的光电解水原理

(a) 单层MoS2 和WSe2的能带图及其在水分解还原电势的位置;(b) MoS2/WSe2异质结(II型交错式异质结)的光生载流子分离机理的示意图。


作者简介

主要研究方向:

① 一维二维纳米材料的可控制备;

② 纳米电子与光电器件(电子发射,光电催化,超级电容)。

实验室主页:

https://display.sysu.edu.cn


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