CdS基光陽極的制備及研究進展

蔣涵林 于希辰 范 勇 吉 祥 王海霞

（蘇州大學應用技術學院工學院 江蘇蘇州 215325）

引言

目前化石燃料是工業界的主要能源供給來源，例如常規的煤炭、石油等。在中國，煤炭為主要能源，在能源結構中占比75%，世界能源結構中，煤炭、石油類能源也是主要的產能來源。但是該類化石能源會對環境造成污染，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熱門的課題。當前，清潔能源主要以風能、太陽能、氫能、核能為主。在上述清潔能源中，氫能具有以下優點：氫可以氣、液、固三種形式存在，便于貯存與運輸。氫氣的能量轉換效率高，能源浪費不多。同時作為一種清潔能源，燃燒時，水是唯一產物，不會污染環境且屬于可再生能源。因而氫氣成為清潔能源中一種較優的選擇。

當前，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，氫氣產量較低，因此能量轉換的效率不高，不適合工業界的大量供能，第三種光電催化分解水方式不會有過大的能耗，同時能量轉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展進行分析和總結。

一、研究進展

當前，使用n型半導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合，使得能量轉換效率較低。近年來，為克服此類缺陷，許多實驗對硫化鎘特性進行了改進，改進方式主要有如下幾種：

在硫化鎘光陽極材料中進行摻雜。當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，發現較少摻雜時，主要是原子的替位摻雜，會形成淺層表面態，提升表面催化能力，較多摻雜時，會產生間隙式摻雜，造成復合增加影響性能[1]。在此基礎上，Yan等進一步使用Ni，Mo共同摻雜提升CdS的光分解水性能。由于Ni，Mo的協同作用，其相比于單一的摻雜具有更優的性能，在365納米的波長下表面量子轉化效率能夠達到42%[2]。

除在硫化鎘中摻雜其它元素外，設計硫化鎘光陽極的納米結構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構，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，同時降低了氫氣制備過程中產生的過電勢，在負載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，添加負載催化劑加快反應速度，可以進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，產生氫氣的效率達到168.6μmolh-1，在相同光照條件下效率為CdS-Pt結構的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，在相同實驗條件下，相比于純硫化鎘結構，氫氣的產生效率提升了8倍。

硫化鎘光陽極材料與其它材料結構構成異質結，防止光解水過程中分離的電子和空穴重新復合，加快水的分解效率。Sun等將硫化鎘、氧化鎢、Co-Pi復合為WO3/CdS/Co-Pi異質結結構，由于硫化鎘的導帶比氧化鎢更高，使得硫化鎘導帶中的電子可以流向氧化鎢，有效地防止已經分離的空穴電子重新復合。同時， 復合所得異質結的禁帶寬度為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成異質結結構，并將非晶的二氧化鈦覆蓋其表面。該結構使得吸收光的波長范圍拓寬至540nm，提升光吸收效率。同時，極薄的二氧化鈦層提升了材料的光照穩定性，在一個標準太陽光照條件下，1小時內電流僅降低了15%，材料工作穩定性較好。

二、總結與展望

為使用清潔能源氫氣代替傳統的化石燃料，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，如何改進硫化鎘光陽極的結構，克服上述缺陷，成為當前研究的重點，也是今后硫化鎘光陽極發展研究道路上的突破方向。