掺钼双层光阳性纳米管增强光电化学水分离能力

近日，来自匹兹堡大学的研究人员通过简单而有效的钼（Mo）掺杂方法，提高了双层光阳性纳米管的光电化学（PEC）水分离能力。

全球人口持续增长，化石燃料储量迅速减少，加上令人担忧的空气污染引起的健康和环境问题，使探索替代性、可再生和环境友好型的能源资源迫在眉睫。在这种情况下，由于氢气具有非碳性和比化石能源更高的能量密度，已被誉为取代传统化石燃料的最有前途的能源之一。

目前，一方面，大规模氢气是由天然气的蒸汽重整、碳氢化合物的部分氧化和煤气化产生的。然而，这些传统的氢气生产方法存在着严重的缺点。此外，这些方法较高的操作温度增加了生产成本。这些方法生产的氢气纯度不高，经常被污染物污染。另一方面，目前从水电解是一种高度可靠的清洁和非碳氢化合物的生产方法。

利用以太阳能为基础的光电化学水裂解制氢是解决日益严重的能源和全球变暖危机的最可靠的选择之一。由于水的分裂是一个内热反应，它需要外部能量将水分裂成氢和氧。自从1972年Fujishima和Honda发现通过低成本的半导体材料即二氧化钛（TiO₂）进行PEC水分离以来，人们对设计新型高性能半导体光电催化剂以提高PEC电池的整体性能给予了极大关注。

因此，出现了各种半导体系统，如单一金属氧化物（WO₃）、双金属氧化物、黄铜化物、氮化物。二维材料（石墨烯、MoS₂）和碳基纳米材料催化剂已被研究用于PEC水分裂。在这些不同的光活性系统中，过渡金属氧化物（TMO）由于其高化学稳定性、良好的电子迁移率、自然丰度和低成本，在PEC水分离中应用中十分具有潜力。

然而，基于TMO的系统经常遇到一些问题限制了PEC电池的高性能。在各种TMO中，n型半导体WO₃是一种多功能材料，具有良好的热稳定性、光敏性、抗光腐蚀稳定性和良好的电子传输特性。进一步提高PEC活性可以通过许多策略实现，如形态控制、过渡金属掺杂和表面敏化等。在这些不同的方法中，掺杂是调整WO₃的光学、结构和电子特性的有效策略。

在不同的掺杂剂中，Mo是一种经过充分研究的、非常有前景的WO₃候选掺杂剂。因此，在此次工作中，该研究团队选择了掺杂Mo的WO₃作为进一步研究的高效双层光阳极系统。

掺入钼的与未掺入的双层相比，具有更高的光吸收能力。此外，Mo的加入改善了电荷载流子密度和光电流密度，减少了电荷转移电阻。此外，掺杂的双层光阳极在光照下显示出良好的长期PEC稳定性，表明其在PEC水分离中的稳健性。

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