简介：面对全球能源危机与环境污染的双重挑战,利用人工光合作用通过太阳能生产可再生燃料被视为一种理想解决方案.其中,将太阳能转化为氢能被视为最有前景和有效的方法之一.在众多太阳能制氢技术中,光电化学(PEC)水分解技术因其绿色可持续和较高的能量转换效率备受关注.氮化钽(Ta3N5)因具有合适的能带结构和优异的光吸收能力,成为PEC水分解领域极具发展前景的光阳极材料.然而,Ta3N5电荷分离与传输效率不足以及表面水氧化动力学缓慢等因素,限制了其实际应用.
本文对Ta3N5在PEC水分解领域应用的最新研究进展进行了系统的总结和梳理.首先简要介绍了Ta3N5材料的研究历史与基本特性,为理解其在PEC水分解中应用潜力奠定了基础.随后,分析了限制Ta3N5光阳极PEC水分解效率的主要因素,包括载流子扩散长度有限、载流子复合、深能级缺陷、界面电荷传输阻碍及表面水氧化动力学缓慢等问题.针对上述挑战,总结了形貌工程、缺陷工程、界面工程及助催化剂表面改性等策略.通过这些策略的协同作用,显著提升了Ta3N5光阳极的光吸收能力、电荷分离效率和表面水氧化动力学,从而提高了Ta3N5光阳极的能量转换效率.此外,表面自氧化是影响Ta3N5光阳极稳定性的主要问题.进一步讨论了在Ta3N5光阳极表面引入保护层,它们能够有效隔离H2O和活性氧与Ta3N5的直接接触,有效缓解光腐蚀并提高光阳极的稳定性.此外,也综述了以Ta3N5光阳极为核心元件的无偏压辅助全解水串联电池的最新研究进展.最后,展望了Ta3N5光阳极未来的发展方向,提出通过减少其内部缺陷、优化界面电荷传输路径、提高表面助催化剂活性等手段,提升Ta3N5光阳极的电荷转移效率并降低其起始电位.同时,强调了利用先进的原位分析技术对Ta3N5光阳极/电解质界面进行表征及其性能衰减机制的深入研究,并建议采用自修复策略提升Ta3N5光阳极的稳定性.此外,通过第一性原理计算深入理解了Ta3N5光阳极的内在物理与化学特性,为设计高效率、稳定性的Ta3N5光阳极提供关键理论依据.未来的研究可以探索将Ta3N5光阳极与热催化和酶催化等领域相结合,以进一步推动太阳能驱动的水分解技术的发展.
综上所述,本文系统地总结了Ta3N5在PEC水分解中的挑战与应对策略,并展望了其未来发展方向.深入研究Ta3N5光阳极的活性、稳定性与催化机理,为高效稳定光电极的设计与开发提供了宝贵的理论指导与技术支持,对设计实现高性能PEC全解水系统至关重要,为推动PEC水分解制氢技术的实用化提供参考.展开
