米乐m6官方网站 开发出具有纳米棒状结构的红色透明氮化钽光电极，用于水分解

人工光合化学工艺技术研究协会 (ARPChem) 及其联合合作伙伴东京大学、米乐m6官方网站、宫崎大学和信州大学正在开发一种红色透明植物，它利用阳光有效分解水并产生氧气光电极^※1纳米棒^※2类结构，世界顶级太阳能光氢转换效率（STH）^※3达到 10%。

这一结果是通过利用光电极除了纳米棒形状之外还呈红色且透明的这一事实而实现的。串联电池^※4获得由纳米棒状氮化钽表面上的铁镍钴复合氧化物制成助催化剂^※5，我们能够在反应开始后7小时内将太阳光-氢转化效率保持在10%。

瞬态吸收光谱法^※6以及从该测量数据导出的物理特性数据，我们进行了光学和半导体器件模拟，考虑了纳米棒形状的光学特性和载流子传输。结果，通过光吸收产生了纳米棒状氮化钽光激发载流子^※7可以高效地收集以驱动水分解。

未来，基于通过这项研究获得的科学知识，我们的目标是提高粉末光催化片的阳光-氢气转换效率，从而以更低的成本生产氢气，并将利用光催化剂的氢气生产技术社会化。

通过使用光催化剂，可以利用太阳能分解水并产生氢气和氧气。利用这种方法生产的氢气是利用阳光这种可再生能源的“绿色氢”，有望成为下一代清洁能源。为了生产廉价的绿色氢气，提高光催化剂的太阳光到氢气的转化效率（STH）是一个挑战。此前，水分解光催化剂的 STH 被认为很难达到 10% 以上。

人工光合作用化学工艺技术研究协会 (ARPChem) 及其联合合作伙伴东京大学、米乐m6官方网站、宫崎大学和信州大学使用可利用阳光分解水的氮化钽光催化剂，实现了 10% 的世界最高水平的 STH。这是两个系列的CuInSe₂使用用于水分解的两级串联电池与太阳能电池结合获得。这次，我们展示了人工光合作用作为一种绿色制氢技术在太阳能-化学能转换过程中的有用性。

未来，基于通过这项研究获得的科学知识，我们的目标是提高粉末光催化片的太阳能转换效率，从而实现更便宜的制氢，并将利用光催化剂的制氢技术社会化。

这项研究的结果将于 2023 年 8 月 15 日星期二（美国东部标准时间）发布。先进能源材料》网络突发新闻版欲了解更多信息，请参阅以下网站。
https://onlinelibrarywileycom/doi/full/101002/aenm202301327

氮化钽光催化剂被认为是一种吸收波长短于600纳米的光（可见光）的材料，可以将水分解成氢气和氧气。利用粉末状氮化钽光催化剂进行光催化水分解的研究和开发已在国内外得到大力开展。除了粉末状光催化剂之外，使用氮化钽光催化剂的光电极的开发也在积极进展。

2019年，我们开发了一种利用氮化钽光催化剂产生氧气的红色透明光电极。 CuInSe 可吸收波长达 1100 nm 的光₂我们将用于制氢的 Pt/Ni 电极催化剂连接到太阳能电池，并将其与用于制氧的光电极组合，构建用于水分解的串联电池，并实现了 55% 的 STH。然而，氮化钽制氧光电极的光电流输出仅为理论最大值的50%左右，并且在水分解反应过程中光电流值在短时间内减半，因此提高电极性能并延长其作为制氧光电极的寿命是一个挑战。因此，需要开发（1）一种能够高效地将光吸收产生的光激发载流子传输到氮化钽表面上的助催化剂（反应位点）的光电极结构，以及（2）一种用助催化剂均匀保护氮化钽表面的表面改性方法。

关于（1），我们开发了一种能够有效传输光激发载流子的纳米棒状光电极，旨在提高红色透明氮化钽光电极的产氧性能。氮化钽是通过氮化反应生产的，其中前体材料（主要是氧化钽）在氨气氛中进行高温热处理。用于水分解的串联电池第一级中的氮化钽光电极，以及第二级中的两个串联 CuInSe₂为了使用太阳能电池（能够吸收高达1100 nm的光），氮化钽光电极需要在大于600 nm的波长下具有高透光率。因此，必须使用即使在高温下氮化反应后其光学性能也不会改变的高度耐用的透明导电基板。

在这项研究中，我们将使用氮化镓（n型）涂层蓝宝石（GaN/Al₂O₃)作为纳米棒氮化钽光电极的透明导电基板。这种氮化镓/铝₂O₃在基板上形成常规氮化钽平坦薄膜之后掠射角沉积：GLAD 方法^※8₃N₅纳米棒状氮化钽薄膜沉积在平坦薄膜上。通过研究GLAD法的成膜条件和氨气气氛中的氮化反应条件，我们成功开发出兼具高透光率和高产氧活性的红色透明纳米棒状氮化钽光电极。在这种红色透明纳米棒状氮化钽光电极的表面，铁镍钴复合氧化物（FeNiCoO_x)支持电解质^※9浸入水溶液中并通过外部电源施加电势模拟阳光^※10的照射时，光电极上发生水氧化反应，产生氧气。在水的电解反应中，需要在产生氢气的电极和产生氧气的电极之间施加123V的电压，但是通过利用光的能量，可以用低于这个123V的电压来产生氧气。

图1显示了用于产氧的纳米棒氮化钽光电极的光电化学性质。通过用模拟太阳光照射该光电极，06 V vsRHE^※11正的电极电位发生。 （图1a）。此外，氧气生成反应的标准氧化还原电位为 123 V，而 RHE 为 108 mA cm^-2被生成。该光电流值是假定氮化钽光催化剂受到模拟太阳光照射时理论上导出的最大值的约90％。

在(2)中，氮化钽光自氧化^※12由于表面绝缘膜的形成而导致的反应效率随时间的下降。以及助催化剂的劣化。此外，为了使用氮化钽作为串联电池的第一级用于水分解，重要的是建立一种不抑制氮化钽光吸收和光传输到背面的助催化剂改性方法。

在这项研究中，光电镀^※13和浸涂法^※14、铁镍钴复合氧化物（FeNiCoO_x)组成的产氧促进剂均匀地涂覆纳米棒氮化钽的表面，成功地抑制了表面绝缘膜的形成。浸涂法还抑制了促进剂的劣化。结果，与传统方法相比，纳米棒状氮化钽光电极在氧气产生反应期间的耐久性提高了约27倍，并且能够在反应开始后3小时以上不劣化地产生氧气。此外，透射光谱测量结果表明，纳米棒状氮化钽光电极在大于600 nm的波长下具有最大80%的透光率。 FeNiCoO负载在光电极表面_x助催化剂的厚度约为8 nm，纳米棒状氮化钽对光吸收和光透射的影响可以忽略不计，因此可以说是用于串联电池第一级的最佳制氧光电极。事实上，当我们量化在 123 V 相对于 RHE 的恒定电势下产生的气体量时，我们发现几乎是 100%。法拉第效率^※15驱动水分解反应并产生氧气（图1b）。

通过使用瞬态吸收光谱测量1皮秒至1微秒时间内光激发载流子浓度的时间变化，揭示了纳米棒状氮化钽光催化剂的高质量。图 2(a) 显示了典型激发光密度下的测量结果。研究发现，纳米棒状氮化钽光电极的光激发载流子浓度随时间的变化与迄今为止报道的高质量氮化钽光电极的测量结果相似。接下来，我们对该光激发载流子浓度进行了数值分析（图2（a）中的蓝色实线），并且重组反应速率常数^※16并测定了电子浓度。此外，基于获得的物理特性数据，我们对考虑了纳米棒形状的光学特性和载流子传输的光学和电学特性进行了模拟分析，结果表明可以很好地再现电流-电位曲线（图2（b）中的红色实线）。结果发现，理论得出的光电极最大光电流输出的10%在光吸收过程中损失，16%通过电子和空穴的复合损失，剩余的74%用于水分解反应。

FeNiCoO_x双系列 CuInSe，具有纳米棒状氮化钽光电极，通过连接到第一级（前部）的助催化剂进行表面修饰，并使用用于产氢的 Pt/Ni 电催化剂₂我们创建了一个串联电池，其中太阳能电池放置在第二级（背面），并在不使用外部电源的情况下研究了模拟阳光照射下的水分解反应（图 3）。安装在第一级的纳米棒状氮化钽光电极吸收波长高达600 nm的光，产生光激发载流子，并将空穴转移到氮化钽表面的FeNiCoO_x它移动到促进剂并氧化水产生氧气。来自氮化钽光电极背面的透射光（600 nm至1100 nm）透过第二级双串联CuInSe₂接收光并产生光激发载流子。此时产生的电子为两个系列的CuInSe₂的Pt/Ni电催化剂上，还原水并产生氢气。图4显示了当串联电池连续受到模拟阳光照射时，STH随时间的变化。照射后STH立即显示为12%。此外，此后大约7小时内我们能够维持10%或更多。

这种串联电池在利用阳光通过水分解反应产生氢气和氧气时所表现出的转换效率和耐久性对于使用不需要外部电源的光催化材料的光电极系统来说是世界一流的性能。

这项研究是NEDO“以二氧化碳为原料制造关键化学品的工艺技术开发（人工光合作用项目）”（2014财年-2021财年）的一部分。该项目的最终目标之一是将与植物光合效率（02-03%）处于同一水平的太阳能-氢气转换效率提高到10%，这是实用的标准。

在这项研究中，纳米棒状氮化钽 (Ta₃N₅-NR) 我们开发了一种红色透明产氧光电极，可以利用光催化剂高效分解水。结果，我们实现了该项目的最终目标：10% 的太阳能-氢气转换效率。

基于通过这项研究获得的科学知识，作为绿色创新基金项目的一部分，我们将开发一种粉末型光催化片，可以实现更便宜的制氢，旨在提高太阳能转换效率，并在社会上实施使用光催化剂的制氢技术。

※1 光电极

将用于水分解的光催化剂粘合并固定在导电基底上。[返回来源]

※2纳米棒

指的是直径为纳米级的棒状形状。[返回来源]

※3 太阳能光氢转换效率（STH）

氢气生产储存的化学能与入射太阳能的比率。[返回来源]

※4串联电池

当组合两种类型的光电极时，用于水分解的池具有两层结构，第一级的池吸收相对短波长的光并透射剩余的长波长的光，第二级的池可以吸收透射的光。[返回来源]

※5助催化剂

与光催化剂结合可加速反应的物质。这里，它是指利用由于用光照射光催化剂而产生的空穴来促进水分解反应的材料。 [返回来源]

※6 瞬态吸收光谱测量

一种测量方法，通过使用激发光脉冲在样品内部产生电子和空穴后延迟照射检测光并测量检测光强度随时间的变化来检测所产生的电子和空穴的浓度随时间的变化。[返回来源]

※7 光激发载流子

当光催化剂吸收光时，电子和空穴成对产生。这对产生的电子和空穴称为光激发载流子。[返回来源]

※8 斜入射溅射法

将薄膜附着到基材上的方法之一。溅射法是在真空中通入惰性气体，在基板和薄膜材料之间施加电压，使惰性气体原子电离，惰性气体原子高速运动并与薄膜材料碰撞，击落薄膜材料的颗粒。这些被排斥的薄膜材料颗粒粘附到基材上，形成薄膜。在倾斜入射法中，固定基板的支架相对于入射原子通量（薄膜材料的发射方向）倾斜，由于自阴影效应，沉积出具有柱状或纳米结构的独特薄膜。在这项研究中，它也被称为掠角沉积（GLAD）方法。[返回来源]

※9支持电解质

通过添加或溶解来增加液体电导率的物质。纯水是绝缘体，几乎不导电，但通过将电解质溶解在水中，溶液中会产生带正电和负电的离子，这些离子成为流过溶液的电流载体。在本研究中，1 mol L^-1的氢氧化钾（KOH）水溶液被使用了。该支持电解质水溶液用于降低用于产生氧气的光电极和用于产生氢气的Pt/Ni电极(对电极)之间的电阻，使得可以从外部电源施加和控制电位。[返回来源]

※10 模拟阳光

光的设计使强度和波长之间的关系相当于自然光。由于不存在因天气或时间而变化的情况，因此可以在阳光照射下以良好的再现性评估光催化剂的特性。 [返回来源]

※11：RHE（可逆氢电极； RHE）

可逆氢电极。这是测量电极电位时的电位标准，标准(0V)是与水溶液的pH无关地产生氢气的电位。将水分解成氢气和氧气所需的理论电解电压为123 V，因此产生氧气的电势可以表示为123 V vs RHE。[返回来源]

※12 光自氧化

由于光吸收而在光催化剂或光电极中产生的光激发载流子之间的空穴氧化光电极本身的反应。对于氮化钽，这种光自氧化反应会生成绝缘氧化钽 (TaO_x) 固液界面处形成薄膜。这个TaO_x膜抑制空穴向反应位点助催化剂的移动，并显着降低氧气生产效率。[返回来源]

※13 光电沉积法

支持发起人的方法之一。利用光吸收产生的光激发载流子，在光催化剂体的表面还原或氧化作为前体的金属盐，从而沉淀出作为助催化剂的金属或金属氧化物的方法。[返回来源]

※14 浸涂法

支持发起人的方法之一。通过将光催化剂浸入含有被负载物质的溶液中并以恒定速度垂直提升来负载光催化剂的方法。[返回源]

※15 法拉第效率

对产品贡献的电量与总电流电量的比值。也称为法拉第产率、库仑效率或电流效率，它表示电化学反应中转移电荷（电子）的效率。[返回来源]

※16 重组反应速率常数

比例系数与半导体中电子和空穴复合和消失的反应速率有关。[返回来源]