​西北大学Adv. Sci.：1+1>2! Bi2Te3/Bi2Se3/Bi2S3级联异质结构实现小偏压下高效水分解

光电化学(PEC)水分解能够将太阳能转化为电能和化学能，在解决能源短缺和环境污染方面具有广阔的应用前景。

近年来，n型半导体如TiO₂和ZnO由于其强的氧化还原能力而被广泛用作光电化学的光阳极。然而，n型半导体的低电导率、有限的载流子寿命、快速的载流子复合以及紫外波段的弱吸收阻碍了PEC水分解的进一步发展和实际应用。

基于此，西北大学徐新龙、周译玄和黄媛媛等采用气相沉积法成功地合成了一种具有良好匹配带排列的Bi₂Te₃/Bi₂Se₃/Bi₂S₃级联异质结构。

研究人员利用电化学阻抗谱(EIS)研究了非均匀结构界面上的载流子动力学过程。Bi₂Te₃/Bi₂Se₃/Bi₂S₃的EIS中较小的直径意味着较低的界面电阻，这可以加速电荷转移。

这可能是由于Bi₂X₃与ITO之间具有良好的能带结构，级联异质结显示出较小的界面电阻。因此，光生电子可以有效地从Bi₂X₃转移到ITO上，并产生高的光响应。

为了深入了解PEC与光催化产氢之间的关系，研究人员测量了Bi₂Te₃/Bi₂Se₃/Bi₂S₃级联异质结在−0.1 V和0 V以及100 mW cm⁻²下的氢气产量。

结果表明，即使在0 V下，H₂的产量也能在2.5 h内达到0.12 mmol cm⁻²；由于协同效应，在-0.1 V下，H₂的产量可以大大提高到1.04 mmol cm⁻²。

此外，研究人员进一步测试了纯水中Bi₂Te₃/Bi₂Se₃/Bi₂S₃级联异质结的PEC和光催化产氢性能。Bi₂Te₃/Bi₂Se₃/Bi₂S₃级联异质结在2 h内的氢产量分别为28.64 μmol cm⁻²和13.81 μmol cm⁻²，表明Bi₂Te₃/Bi₂Se₃/Bi₂S₃级联异质结在不使用牺牲剂的情况下也能实现高活性光催化和PEC产氢。

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