​中科院/北科Nano Energy：利用光、动能和电能，促进掺氮4H-SiC纳米孔阵列催化水分解

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压电极化促进光电化学(PE-PEC)水分解是一种将光能、动能和电能转化为化学能以获得氢能的有前途的方法。然而，由于目前大多数压电材料的能带位置不当和稳定性较差，迫切需要设计和制备具有合适的带状结构、优异的压电效应和高的物理/化学稳定性的压电半导体材料以促进PE-PEC水分解。

基于此， 中科院北京纳米能源与系统研究所王中林 、 朱来攀 和 北京科技大学侯新梅 、 杨涛 等制备了一种氮掺杂的4H-SiC纳米孔阵列(NHA)，并研究了其中的诱导极化对PE-PEC水分解的促进作用。

理论计算表明，N掺杂可以有效地调节4H-SiC的能带结构，并且随着N掺杂量的增加，费米能级进入导带的深度增加。此外，当N的掺杂量达到一定值后，载流子扩散速度几乎达到平衡；N掺杂有效地提高了4H-SiC的电子浓度并且由于N元素的电负性较强，更多的电子被吸引到靠近N原子的N-Si键的一侧。

在PE-PEC水分解过程中，掺氮4H-SiC NHA能够同时获取光能、动能和电能。在1.4 V _Ag/AgCl 下，模拟太阳光照射和120 W超声振动条件下，NHA的电流密度达到6.50 mA cm ^-2 ，比在单独光照条件下( 1.4  V _Ag/AgCl 下4.33 mA cm ^-2 )的电流密度提高了50.1%。

为了消除反应工程中传质和气泡的影响，在黑暗中分别进行搅拌和超声振动。而NHA的电流密度几乎相同，表明增强的传质和消除气泡不是关键点，单晶NHAs中具有均匀取向的压电场起主导作用。因此，氮掺杂4H-SiC中压电势的存在不仅调节了能带结构，而且加速了电荷的分离和迁移，从而提高了水分解能力。这为设计同时获取多种能量以促进有效产氢的催化剂提供了一种有前景的策略。

Boosting of Water Splitting Using the Chemical Energy Simultaneously Harvested from Light, Kinetic Energy and Electrical Energy Using N Doped 4H-SiC Nanohole Arrays. Nano Energy, 2022. DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107876

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