光電化學(xué)(PEC)水分解能夠?qū)⑻?yáng)能轉(zhuǎn)化為電能和化學(xué)能，在解決能源短缺和環(huán)境污染方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

近年來(lái)，n型半導(dǎo)體如TiO₂和ZnO由于其強(qiáng)的氧化還原能力而被廣泛用作光電化學(xué)的光陽(yáng)極。然而，n型半導(dǎo)體的低電導(dǎo)率、有限的載流子壽命、快速的載流子復(fù)合以及紫外波段的弱吸收阻礙了PEC水分解的進(jìn)一步發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。

基于此，西北大學(xué)徐新龍、周譯玄和黃媛媛等采用氣相沉積法成功地合成了一種具有良好匹配帶排列的Bi₂Te₃/Bi₂Se₃/Bi₂S₃級(jí)聯(lián)異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

研究人員利用電化學(xué)阻抗譜(EIS)研究了非均勻結(jié)構(gòu)界面上的載流子動(dòng)力學(xué)過(guò)程。Bi₂Te₃/Bi₂Se₃/Bi₂S₃的EIS中較小的直徑意味著較低的界面電阻，這可以加速電荷轉(zhuǎn)移。

這可能是由于Bi₂X₃與ITO之間具有良好的能帶結(jié)構(gòu)，級(jí)聯(lián)異質(zhì)結(jié)顯示出較小的界面電阻。因此，光生電子可以有效地從Bi₂X₃轉(zhuǎn)移到ITO上，并產(chǎn)生高的光響應(yīng)。

為了深入了解PEC與光催化產(chǎn)氫之間的關(guān)系，研究人員測(cè)量了Bi₂Te₃/Bi₂Se₃/Bi₂S₃級(jí)聯(lián)異質(zhì)結(jié)在?0.1 V和0 V以及100 mW cm^?2下的氫氣產(chǎn)量。

結(jié)果表明，即使在0 V下，H₂的產(chǎn)量也能在2.5 h內(nèi)達(dá)到0.12 mmol cm^?2；由于協(xié)同效應(yīng)，在-0.1 V下，H₂的產(chǎn)量可以大大提高到1.04 mmol cm^?2。

此外，研究人員進(jìn)一步測(cè)試了純水中Bi₂Te₃/Bi₂Se₃/Bi₂S₃級(jí)聯(lián)異質(zhì)結(jié)的PEC和光催化產(chǎn)氫性能。Bi₂Te₃/Bi₂Se₃/Bi₂S₃級(jí)聯(lián)異質(zhì)結(jié)在2 h內(nèi)的氫產(chǎn)量分別為28.64 μmol cm^?2和13.81 μmol cm^?2，表明Bi₂Te₃/Bi₂Se₃/Bi₂S₃級(jí)聯(lián)異質(zhì)結(jié)在不使用犧牲劑的情況下也能實(shí)現(xiàn)高活性光催化和PEC產(chǎn)氫。

Bi₂Te₃/Bi₂Se₃/Bi₂S₃ Cascade Heterostructure for Fast-Response and High-Photoresponsivity Photodetector and High-Efficiency Water Splitting with a Small Bias Voltage. Advanced Science, 2022. DOI: 10.1002/advs.202205460