摻鉬雙層光陽性納米管增強光電化學水分離能力

近日，來自匹茲堡大學的研究人員通過簡單而有效的鉬（Mo）摻雜方法，提高了雙層光陽性納米管的光電化學（PEC）水分離能力。

全球人口持續增長，化石燃料儲量迅速減少，加上令人擔憂的空氣污染引起的健康和環境問題，使探索替代性、可再生和環境友好型的能源資源迫在眉睫。在這種情況下，由於氫氣具有非碳性和比化石能源更高的能量密度，已被譽為取代傳統化石燃料的最有前途的能源之一。

目前，一方面，大規模氫氣是由天然氣的蒸汽重整、碳氫化合物的部分氧化和煤氣化產生的。然而，這些傳統的氫氣生產方法存在著嚴重的缺點。此外，這些方法較高的操作溫度增加了生產成本。這些方法生產的氫氣純度不高，經常被污染物污染。另一方面，目前從水電解是一種高度可靠的清潔和非碳氫化合物的生產方法。

利用以太陽能為基礎的光電化學水裂解制氫是解決日益嚴重的能源和全球變暖危機的最可靠的選擇之一。由於水的分裂是一個內熱反應，它需要外部能量將水分裂成氫和氧。自從1972年Fujishima和Honda發現通過低成本的半導體材料即二氧化鈦（TiO₂）進行PEC水分離以來，人們對設計新型高性能半導體光電催化劑以提高PEC電池的整體性能給予了極大關注。

因此，出現了各種半導體系統，如單一金屬氧化物（WO₃）、雙金屬氧化物、黃銅化物、氮化物。二維材料（石墨烯、MoS₂）和碳基納米材料催化劑已被研究用於PEC水分裂。在這些不同的光活性系統中，過渡金屬氧化物（TMO）由於其高化學穩定性、良好的電子遷移率、自然豐度和低成本，在PEC水分離中應用中十分具有潛力。

然而，基於TMO的系統經常遇到一些問題限制了PEC電池的高性能。在各種TMO中，n型半導體WO₃是一種多功能材料，具有良好的熱穩定性、光敏性、抗光腐蝕穩定性和良好的電子傳輸特性。進一步提高PEC活性可以通過許多策略實現，如形態控制、過渡金屬摻雜和表面敏化等。在這些不同的方法中，摻雜是調整WO₃的光學、結構和電子特性的有效策略。

在不同的摻雜劑中，Mo是一種經過充分研究的、非常有前景的WO₃候選摻雜劑。因此，在此次工作中，該研究團隊選擇了摻雜Mo的WO₃作為進一步研究的高效雙層光陽極系統。

摻入鉬的與未摻入的雙層相比，具有更高的光吸收能力。此外，Mo的加入改善了電荷載流子密度和光電流密度，減少了電荷轉移電阻。此外，摻雜的雙層光陽極在光照下顯示出良好的長期PEC穩定性，表明其在PEC水分離中的穩健性。

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