陈潜源和王中驰等RSC Advances论文：一维阵列 TiO2/graphene/ CuSbS2光电极材料性能与机理研究

当前，对于改善一维TiO₂光响应的途径非常多，但主要的改性方式还是基于其特殊一维结构进行改性为主，主要包括表面形貌调控（棒/带/阵列结构），以及与其他物质的掺杂或复合（金属/非金属/半导体/碳材料）等。在这些方法中，利用窄带隙量子点（CdS、CdSe、CdTe、PbS、PbSe、CuInS₂、AgInS₂等）对一维TiO₂进行改性是较为普遍的一种方法。这是因为窄带隙量子点不仅能与一维TiO₂形成特殊的0D/1D复合结构，其还能将TiO₂的光吸收边界拓宽到可见光区，从而实现对太阳光的有效利用。然而，这些常见的窄带隙量子点通常都有些无法避免的本征缺陷，Cd、Pb系量子点材料含有对环境与人体有害的重金属元素。而AgInS₂、CuInS₂等量子点材料含有成本很高的Ag，In元素，限制了在实际中的应用。

近年来，一种新型铜锑硫系（CuSbS₂）量子点在光伏器件、太阳能电池、光电化学器件中引起了广泛关注。首先，这种窄带隙量子点（1.5-1.8ev）具有极高的光吸收系数（10⁵cm^-1）。此外，CuSbS₂系量子点不仅无毒，而且成本低廉，其所含元素在地壳中储量极其丰富。但是，其与一维 TiO₂形成异质结构也存在一些问题，其中最为显著的便是在异质结界面处非常容易形成电荷的积累，使得光生载流子不能得到有效的分离，从而对其光电响应产生影响。众所周知，石墨烯作为一种单层碳原子SP²杂化的二维材料，具有极高的电子迁移率、比表面积、透光性以及化学稳定性等。利用石墨烯作为导电介质来桥接CuSbS₂量子点与TiO₂阵列可以有效防止界面电荷的积累。

武汉大学物理科学与技术学院潘春旭教授课题组长期致力于石墨烯碳纳米材料和纳米TiO₂光催化材料的研究与应用。最近，课题组王中驰博士和硕士生陈潜源等人，联合深圳大学张豫鹏教授和黎德龙博士，以及武汉理工大学刘曰利教授等，通过简单的水浸法在一维TiO₂纳米线阵列中引入了石墨烯与铜锑硫（CuSbS₂）量子点，制备了一维阵列纳米结构TiO₂/graphene/CuSbS₂量子点多相光电极复合材料。实验表明，石墨烯高功函数与高电子迁移速率特性加速了光生电子向其表面迁移，有效抑制了界面电荷的积累；而铜锑硫（CuSbS₂）量子点由于尺寸极小，带隙极窄，促进了光电阳极对可见光波段光源的有效吸收。在这种协同效应下，这种光电极复合材料展现出极高的太阳光能转换效率1.2%（0.32 V偏压）与光电流密度5.5 mA/cm^-2（0.4 V偏压）。经与文献比较，这种新型的光电极复合材料的光电流密度高于其他已报导的TiO₂基光阳极材料。研究成果发表在国际SCI开源刊物《RSC Advances》（中科院SCI期刊分区：化学3区，IF：3.16）上。

论文连接：

Qianyuan Chen, Zhongchi Wang, Keqiang Chen, Qiang Fu,d Yueli Liu,Yupeng Zhang,* Delong Li* and Chunxu Pan*: "TiO2/graphene/CuSbS2 arrayphotoanodes for high-performance photoelectrochemical properties ", RSC Advances, 2019, 9: 33747 -33754. DOI: 10.1039/c9ra07237c.

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