研究团队开发出采用氧化锌纳米塔阵列的新型高性能光电极

由埃及石油研究所和丰桥工业大学功能材料工程实验室成员组成的研究小组，通过在透明电极上构建形状独特的氧化锌纳米塔阵列并应用银纳米颗粒附着在其表面。

氧化锌纳米塔的特点是具有许多阶梯结构，因为它由不同尺寸的六角棱柱堆叠而成。此外，它具有极少的晶体缺陷和优异的电子传导性。通过用银纳米粒子装饰其表面，氧化锌纳米塔阵列光电极获得可见光吸收特性，使其能够在阳光照射下发挥作用。

利用阳光的光电化学水分解有望成为一种以氢的形式生产清洁能源的技术。作为该技术的关键材料，光电极除了具有高太阳能吸收和电荷转移效率外，还必须具有针对水分解反应的低过电势。

为了实用化，该技术不能以稀有金属为主要材料，且制造工艺必须工业化;然而，满足这些要求的材料尚未开发出来。

因此，研究团队只专注于氧化锌纳米塔阵列，因为这种阵列生产成本低廉，具有高电子传导性，并且不易受到原材料耗尽的影响。最初，氧化锌纳米塔阵列被认为难以以良好的再现性制造。

在三年级博士生MarwaAbouelela的带领下，该团队首先优化了合成过程，以确保高重现性。当评估所获得的光电极的光电化学性能时，观察到在伪太阳光照射下出现相对大的光电流。

除了在许多步骤中与低缺陷密度和高表面化学反应活性相关的高电荷转移效率之外，电磁场分析表明纳米塔独特的纳米结构可以有效地捕获入射光中包含的紫外线。

为了确保占太阳光55%的可见光的有效利用，研究团队通过在氧化锌纳米塔表面装饰具有局域表面等离子体共振的银纳米粒子，进一步提高了光电化学性能，使光电流提高了约1.5倍。

光电流值的作用谱表明，这种改善主要归因于银纳米颗粒的局域表面等离子体共振吸收可见光而引起的热电子转移。通过优化银纳米颗粒的应用，可以仅提高光电化学性能，同时防止对纳米塔本身性能产生不利影响。

通讯作者之一GoKawamura副教授表示：“氧化锌纳米塔被认为仅应用于电子枪发射器，利用其高电荷转移效率。然而，由于该结构有很多步骤，我们最初的想法是对表面化学反应具有高度活性，可能适合催化光电化学反应。”

“在成功制造纳米塔后，我们的目标是通过应用表现出局域表面等离子体共振的银纳米颗粒来提高阳光利用效率，并通过电磁场分析评估效果;然而，我们发现氧化锌纳米塔会捕获入射光尤其是紫外线进入其内部。虽然这完全出乎意料，但这是一个幸运的发现，因为这种特性有助于提高光电化学性能。”

未来展望

目前，Marwa和同一实验室的学生正在领导一项研究，研究氧化锌纳米塔的精确结构控制以及其他材料的表面装饰对所述塔的光电化学性能的影响。由于氧化锌容易发生光腐蚀，其本身无法承受长期阳光照射，因此我们注重通过表面装饰来提高耐用性。

在实现高光电化学性能和耐久性的同时，该团队计划在真实环境中进行水分解制氢(通过阳光分解河水或海水)。