固体所氧化铁光解水材料研究取得新进展

　　近期，中科院合肥物质科学研究院固体物理研究所博士生缪春辉在导师叶长辉研究员的指导下，通过设计微纳结构氧化铁材料、对氧化铁掺杂以及异质结结构等一系列手段，显著提高了氧化铁光解水效率。

　　在环境危机愈演愈烈的今天，发展清洁可再生能源很有必要，相对于太阳能核能等其他能源，氢能的来源和产物都是水，对环境没有任何压力。而相对于电解水制氢等传统方式，采用半导体光解水制氢有着更大的前景。氧化铁的禁带宽度使得其可充分利用可见光，光解水的理论效率可达15%。但是纯相氧化铁电导率差，空穴扩散长度短，光生载流子易复合，极大限制了光解水的效率。

　　研究人员采用水热方法合成了具有较大比表面积的Ti离子掺杂的氧化铁微纳结构薄膜，通过氧化铁/铁酸锌异质结结构的构筑，显著改进了载流子的输运和分离，抑制了载流子的复合；进一步通过原位固相反应法，提高了钛离子的掺杂浓度，并通过X射线吸收近边结构（XANES）证实，掺杂钛离子替位了氧化铁中的铁离子。提高掺杂浓度显著改善了氧化铁薄膜的电导率，从而使光解水效率得到显著提升。原位固相反应法同样可应用于其他形貌氧化铁的掺杂，并且对微纳结构的完整性无明显影响，对掺杂其他离子和其他材料具有借鉴意义。

　　相关成果发表在美国化学学会《应用材料与界面》杂志上（ACS Appl. Mater. Interfaces 4, 4428-4433, 2012和ACS Appl. Mater. Interfaces 5, 1310-1316, 2013）。

　　此项工作得到了国家重大科学研究计划、国家自然科学基金以及中科院“百人计划”的资助。

图1：水热法合成的具有微纳结构的氧化铁薄膜（左侧）以及氧化铁/铁酸锌异质结结构示意图（右上）

图2：原位固相反应之后氧化铁光解水效率极大提高，且仍具有微纳结构