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Nano Energy：利用光、動能和電能，促進(jìn)摻氮4H-SiC納米孔陣列催化水分解

壓電極化促進(jìn)光電化學(xué)(PE-PEC)水分解是一種將光能、動能和電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能以獲得氫能的有前途的方法。然而，由于目前大多數(shù)壓電材料的能帶位置不當(dāng)和穩(wěn)定性較差，迫切需要設(shè)計和制備具有合適的帶狀結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的壓電效應(yīng)和高的物理/化學(xué)穩(wěn)定性的壓電半導(dǎo)體材料以促進(jìn)PE-PEC水分解。

基于此，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林、朱來攀和北京科技大學(xué)侯新梅、楊濤等制備了一種氮摻雜的4H-SiC納米孔陣列(NHA)，并研究了其中的誘導(dǎo)極化對PE-PEC水分解的促進(jìn)作用。

理論計算表明，N摻雜可以有效地調(diào)節(jié)4H-SiC的能帶結(jié)構(gòu)，并且隨著N摻雜量的增加，費米能級進(jìn)入導(dǎo)帶的深度增加。此外，當(dāng)N的摻雜量達(dá)到一定值后，載流子擴(kuò)散速度幾乎達(dá)到平衡；N摻雜有效地提高了4H-SiC的電子濃度并且由于N元素的電負(fù)性較強(qiáng)，更多的電子被吸引到靠近N原子的N-Si鍵的一側(cè)。

在PE-PEC水分解過程中，摻氮4H-SiC NHA能夠同時獲取光能、動能和電能。在1.4 V_Ag/AgCl下，模擬太陽光照射和120 W超聲振動條件下，NHA的電流密度達(dá)到6.50 mA cm^-2，比在單獨光照條件下(1.4?V_Ag/AgCl下4.33 mA cm^-2)的電流密度提高了50.1%。

為了消除反應(yīng)工程中傳質(zhì)和氣泡的影響，在黑暗中分別進(jìn)行攪拌和超聲振動。而NHA的電流密度幾乎相同，表明增強(qiáng)的傳質(zhì)和消除氣泡不是關(guān)鍵點，單晶NHAs中具有均勻取向的壓電場起主導(dǎo)作用。因此，氮摻雜4H-SiC中壓電勢的存在不僅調(diào)節(jié)了能帶結(jié)構(gòu)，而且加速了電荷的分離和遷移，從而提高了水分解能力。這為設(shè)計同時獲取多種能量以促進(jìn)有效產(chǎn)氫的催化劑提供了一種有前景的策略。

Boosting of Water Splitting Using the Chemical Energy Simultaneously Harvested from Light, Kinetic Energy and Electrical Energy Using N Doped 4H-SiC Nanohole Arrays. Nano Energy, 2022. DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107876

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