Ta3N5 nanotubes and -rods: doping, band-gap engineering and stabilization (co-catalysis)

Ta3N5 纳米管和棒:掺杂、带隙工程和稳定化(共催化)

基本信息

项目摘要

The present research project tackles solar-based photoelectrolysis of water, using potentially highly active semiconductors in one dimensional (1D) form as the light absorber and energy converter to directly produce hydrogen and oxygen from water. Photoanodes consisting of a 1D nanostructured X:Ta3N5 photoanode (X: modified) will be investigated as a new category of photocatalysts. Due to the relatively suitable small band gap (~2.1 eV) and band edge positions, Ta3N5 will serve as a platform for further modification. Key innovation in this work will be the development of ideally structured and doped Ta3N5 nanotubes/nanorods, modified by bulk doping and surface catalysts to drastically increase their efficiency. The nanostructures used here are based on low cost anodic self-organization processes or on a hydrothermal method, such nanotubes/nanorods have the intrinsic key advantages of a high surface area, directional charge transport, dimensions in the order of charge carrier diffusion length, and the ability to in-situ embed doping species (band-gap engineering). Additionally, in order to alleviate the photocorrosion problem, X:Ta3N5 structures will be decorated with newly developed charge transfer catalysts, such as NiFe layered double hydroxide layers. Recently, our group developed an approach to grow a nanoscale Ta3N5 architecture decorated with suitable catalysts to obtain a 10-fold increase in water splitting efficiency as well as first results on W doped Ta3N5 (shifting the band gap down to 1.75 eV). These preliminary findings will, within the proposed project, be systematically followed up - by studying the properties of the material as a function of growth-morphology, doping, and optimization of self-arranged nanotubular/nanorod Ta3N5 and its stabilization by novel co-catalysts.
目前的研究项目致力于基于太阳能的水光电解,使用一维(1D)形式的潜在高活性半导体作为光吸收剂和能量转换器,直接从水中产生氢气和氧气。由一维纳米结构 X:Ta3N5 光阳极(X:改性)组成的光阳极将作为一类新的光催化剂进行研究。由于Ta3N5具有相对合适的小带隙(~2.1 eV)和能带边缘位置,因此可以作为进一步修饰的平台。这项工作的关键创新将是开发理想结构和掺杂的 Ta3N5 纳米管/纳米棒,通过本体掺杂和表面催化剂进行改性,以大幅提高其效率。这里使用的纳米结构基于低成本阳极自组织工艺或水热方法,此类纳米管/纳米棒具有高表面积、定向电荷传输、载流子扩散长度顺序的尺寸等固有的关键优势,并且原位嵌入掺杂物质的能力(带隙工程)。此外,为了缓解光腐蚀问题,X:Ta3N5结构将用新开发的电荷转移催化剂进行装饰,例如NiFe层状双氢氧化物层。最近,我们的团队开发了一种生长纳米级 Ta3N5 结构的方法,并用合适的催化剂修饰,使水分解效率提高了 10 倍,并在 W 掺杂 Ta3N5 上取得了初步成果(将带隙降低至 1.75 eV)。这些初步发现将在拟议的项目中得到系统的跟进——通过研究材料的特性作为生长形态、掺杂和自排列纳米管/纳米棒 Ta3N5 的优化及其通过新型助催化剂的稳定性的函数。

项目成果

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