【国际论文】ZnO–Ga₂O₃复合薄膜的光催化优化及其在光电化学水分解中的应用：厚度、环境及退火温度的影响

        由哈萨克斯坦纳扎尔巴耶夫大学的研究团队在学术期刊 RSC Advances 发布了一篇名为 Photocatalytic optimization of ZnO–Ga₂O₃ composite thin films for PEC water splitting: effects of thickness, environment, and annealing temperature（ZnO–Ga₂O₃ 复合薄膜的光催化优化及其在光电化学水分解中的应用：厚度、环境及退火温度的影响）的文章。

        现代光电催化（PEC）应用中的电极材料包括石墨烯基化合物、MXenes、聚合物、金属氧化物及其多层复合材料。其中，金属氧化物表现出优异性能，而 ZnO 因其宽带隙（3.37 eV）、无毒性和成本效益，成为特别有前途的候选材料，使其成为光催化领域的潜在候选材料之一。向 ZnO 中引入掺杂剂如Ga、Cu、In 和 Al 已被证明可提升其电学和光学性能，从而提高光电化学电池的效率。

        本研究系统地对通过射频磁控溅射法制备的 Ga₂O₃/ZnO（GZO）复合薄膜的光电化学（PEC）性能进行了研究。GZO 薄膜沉积在 FTO/玻璃和钛（Ti）箔基底上，通过系统地改变关键制备参数——即沉积时间、退火气体氛围和退火温度——来优化光催化活性。分别使用扫描电子显微镜（SEM）和 X 射线衍射（XRD）对表面形貌和结晶度进行了评估，结果表明沉积时间和退火条件显著影响晶粒结构和结晶度，进而影响 PEC 性能。在测试的条件下，沉积 25 分钟并在空气中退火的薄膜表现出最佳性能，在 Ti 箔基底上 600°C 退火的薄膜在 1.23 V 对可逆氢电极（RHE）时的光电流密度最高，达到 1.7×10⁻⁴ A cm⁻²。电化学阻抗谱（EIS）证实了在该温度下电荷转移性能得到改善，不过稳定性测试表明性能和长期耐久性之间可能存在权衡。这些发现突显了在沉积后处理过程中热和大气控制对于调整 GZO 薄膜的结构和电子特性所起的关键作用。优化后的 GZO 光阳极展现出在低成本、高效且可扩展的太阳能制氢方面具有巨大潜力，有助于推动可持续能源技术的发展。

        本研究报告了 GaO-ZnO（GZO）复合薄膜在 FTO/玻璃和 Ti 箔衬底上的光催化应用优化。研究强调了退火条件的重要性，包括气体环境、厚度和退火温度。全面表征表明，原沉积样品具有晶体性质，而退火可增强晶体结构，直接影响光电催化性能。沉积于 Ti 箔并于 600 °C 退火的 GZO 薄膜展现出最高的光电流，同时具备改进的载流子动力学和光吸收性能。 

        本研究为通过光电催化水分解实现绿色氢气生产提供了开发低成本、高效且可规模化材料的途径。所获得的见解为可持续能源技术进一步发展奠定了基础，突显了 GZO 薄膜在应对全球能源挑战中的潜力。 

图1 不同退火温度下在Ti箔上沉积的GZO薄膜的表面SEM图像：（A）400 °C，（B）500 °C，（C）600 °C和（D）650 °C。

图2 硅衬底上GZO薄膜的XRD谱图：（a）在不同气体环境中退火的情况，（b）在400 °C至650 °C的不同温度下退火的情况。

DOI：

doi.org/10.1039/D5RA03463A