论文标题：Tailoring GaN nanorods with MoS₂ on tungsten foil for enhanced photoelectrochemical performance

期刊：ENGINEERING Energy

作者：Bheem Singh, Vishnu Aggarwal, Rahul Kumar, Govinda Chandra Behera, Sudhanshu Gautam, Ramakrishnan Ganesan, Somnath C. Roy, M. Senthil Kumar, Suni Singh Kushvaha

发表时间：11 Sept 2025

DOI：10.1007/s11708-025-1035-z

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文章简介

本文研究了一种通过在钨箔（W foil）上构建二硫化钼/氮化镓纳米棒（MoS₂/GaN nanorods, NRs）异质结构以提升光电化学（PEC）水分解性能的方法。研究团队结合激光分子束外延（LMBE）和化学气相沉积（CVD）技术，在柔性钨箔基底上成功制备了MoS₂修饰的GaN NRs，并通过材料表征和PEC性能测试证实，该异质结构能有效促进电荷分离、降低电荷转移电阻，从而将光电流密度提升至约172 µA/cm²，是未修饰GaN NRs的2.5倍。这一成果为开发高效、可扩展的PEC水分解光电极提供了新策略。

研究背景与意义

随着全球能源需求持续增长，依赖化石燃料导致的二氧化碳（CO₂）排放加剧了全球变暖问题，开发可再生能源技术成为当务之急。光电化学（PEC）水分解制氢因能直接利用太阳能生产清洁氢能，被视为可持续能源解决方案的重要方向。氮化镓（GaN）作为Ⅲ-Ⅴ族半导体，具有优异的电子迁移率、化学稳定性和合适的导带/价带位置，是PEC水分解的理想材料之一。然而，GaN的宽禁带限制了其对太阳光谱的吸收范围，且光生电荷载流子易复合，导致PEC效率偏低。

为突破这一限制，研究人员常通过构建异质结构抑制电荷复合。过渡金属硫族化合物（TMDCs）如二硫化钼（MoS₂）因其层状结构和优异的光电催化性能受到关注：MoS₂禁带宽度可调，能扩展可见光吸收，且边缘活性位点丰富，可提升催化活性。此前研究多采用刚性基底，而柔性基底在卷对卷生产中具有轻量化、易加工的优势，却较少被探索。因此，在柔性钨箔上制备MoS₂/GaN异质结构，兼具材料协同效应与基底优势，对提升PEC性能具有重要意义。

主要研究内容

研究团队通过两步法制备了MoS₂/GaN NRs异质结构：首先利用LMBE在钨箔上生长GaN NRs，随后通过CVD沉积MoS₂薄膜。具体而言，钨箔经有机清洗和热清洁后，在850 ℃下通过氮等离子体氮化处理20分钟；随后以KrF准分子激光轰击GaN靶材，在700 ℃下沉积GaN NRs。CVD过程中，将GaN/W箔与三氧化钼（MoO₃）粉末置于反应炉第二温区，硫粉置于第三温区，在氩气氛围中反应1小时，使MoS₂均匀包覆GaN NRs。

图1 生长过程示意图

场发射扫描电子显微镜（FESEM）显示，未修饰的GaN NRs直径为50–70 nm、长度150–170 nm，呈垂直排列；修饰MoS₂后，NRs直径增至90–110 nm、长度200–220 nm，表面形成致密互连的MoS₂层。拉曼光谱证实了GaN和MoS₂的存在：GaN的E2峰位于567.2 cm^-1，接近无应力GaN的567.6 cm^-1，表明其结晶质量良好；MoS₂的E12g和A1g峰间距为25.7 cm^-1，对应厚度50–70 nm的体相MoS₂。X射线衍射（XRD）进一步验证了GaN的六方纤锌矿结构和MoS₂的2H六方相。

X射线光电子能谱（XPS）分析了元素化学状态：Mo 3d谱中229.2 eV和232.4 eV峰证实Mo与S结合；S 2p谱中162.1 eV和163.3 eV峰分别对应S 2_p3/2和S 2_p1/2。Ga 2p和N 1s谱显示，MoS₂修饰后Ga-N键结合能略向低能方向偏移，表明GaN与MoS₂间存在电子相互作用。

图2 二硫化钼/氮化镓/钨箔的X射线光电子能谱核心能级谱图

在0.5 mol/L Na22O₄电解液中，采用三电极体系评估PEC性能。开路电位（OCP）测试显示，GaN和MoS₂/GaN均表现出n型导电性，光照下OCP负移，表明光生电荷载流子生成。线性扫描伏安法（LSV）表明，MoS₂/GaN在0.6 V vs. Ag/AgCl下光电流密度达172 µA/cm²，显著高于GaN的70 µA/cm²；应用偏压光子电流转换效率（ABPE）从0.021%提升至0.043%。

图3 氮化镓/钨和二硫化钼/氮化镓/钨光电极在模拟太阳光照下的光电化学性能分析

电化学阻抗谱（EIS）显示，MoS₂/GaN的电荷转移电阻低于GaN，表明异质结构促进了界面电子的传输。Mott-Schottky分析证实其n型特性，且MoS₂/GaN的平带电位更负，施主密度更高，有利于电荷分离。光致发光（PL）光谱中，MoS₂/GaN的发光强度降低，时间分辨PL显示辐射复合寿命缩短，表明电荷复合被抑制。稳定性测试中，该异质结构在30分钟内光电流保持稳定。

图4 氮化镓/钨和二硫化钼/氮化镓/钨光电极的光电化学表征，用于评估光电流响应和界面电荷传输

图5 氮化镓/钨和二硫化钼/氮化镓/钨光电极的平带电位、复合动力学及光电化学稳定性分析

能带结构分析表明，GaN与MoS₂形成Type II异质结：MoS₂导带电子迁移至GaN导带，GaN价带空穴转移至MoS₂价带，实现了高效的电荷分离。

图6 二硫化钼与氮化镓之间的光电化学水分解机制及II型能带排列，以阐明电荷分离与提取行为

研究结论

本研究通过LMBE和CVD技术在钨箔上成功制备了MoS₂/GaN NRs异质结构，材料表征证实了GaN的六方相和MoS₂的体相结构，且二者存在电子相互作用。PEC性能测试表明，该异质结构通过Type II能带对齐促进电荷分离、增加活性位点并降低电荷转移电阻，使光电流密度提升至172 µA/cm²，是未修饰GaN的2.5倍，且具有良好的稳定性。这一工作展示了柔性金属箔基底上异质结构在PEC水分解中的应用潜力，为开发可扩展、高效的光电极提供了可行路径。

原文信息

Tailoring GaN nanorods with MoS₂ on tungsten foil for enhanced photoelectrochemical performance

Bheem Singh^1,2, Vishnu Aggarwal^1,2, Rahul Kumar^1,2, Govinda Chandra Behera³, Sudhanshu Gautam^1,2, Ramakrishnan Ganesan⁴, Somnath C. Roy³, M. Senthil Kumar^1,2, Suni Singh Kushvaha^1,2

Author information:

1. CSIR- National Physical Laboratory, Dr. K.S. Krishnan Marg, New Delhi 110012, India

2. Academy of Scientific and Innovative Research (AcSIR), Ghaziabad 201002, India

3. Semiconducting Oxide Materials, Nanostructures and Tailored Heterojunctions (SOMNaTH) Lab, Department of Physics, Indian Institute of Technology Madras, Chennai 600036 India

4. Department of Chemistry, Birla Institute of Technology and Science (BITS), Pilani, Hyderabad Campus, Medchal District, Hyderabad, Telangana 500078, India

Abstract:

Gallium nitride (GaN) nanostructures are highly promising for photoelectrochemical (PEC) water splitting due to their excellent electron mobility, chemical stability, and large surface area. However, the wide bandgap (~3.4 eV) of GaN limits its ability to absorb a broad spectrum of solar radiation, restricting its PEC performance. To address this limitation, MoS₂/GaN nanorods (NRs) heterostructures for enhanced PEC applications were fabricated on thin tungsten foil using a combination of atmospheric pressure chemical vapor deposition (CVD) and laser molecular beam epitaxy (LMBE). The Raman spectroscopy and X-ray diffraction revealed the hexagonal phase of GaN and MoS₂. X-ray photoelectron spectroscopy examined the electronic states of the GaN and MoS₂. PEC measurements revealed that the MoS₂-decorated GaN NRs exhibited a photocurrent density of approximately 172 µA/cm², nearly 2.5-fold compared to bare GaN NRs (~70 µA/cm²). The increased photocurrent density is ascribed to the Type II band alignment between MoS₂ and GaN, which promotes effective charge separation, the decrease in charge transfer resistance, and the increase in active sites. The findings of this work underscore that the CVD and LMBE technique fabricated MoS₂/GaN heterostructures on W metal foil substrate can provide the vital strategy to raise the PEC efficiency toward solar water splitting.

Keywords:

GaN nanorods; MoS2; X-ray photoelectron spectroscopy; PEC water splitting

Cite this article:

Bheem Singh, Vishnu Aggarwal, Rahul Kumar, Govinda Chandra Behera, Sudhanshu Gautam, Ramakrishnan Ganesan, Somnath C. Roy, M. Senthil Kumar, Suni Singh Kushvaha. Tailoring GaN nanorods with MoS2 on tungsten foil for enhanced photoelectrochemical performance. Front. Energy DOI:10.1007/s11708-025-1035-z

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期刊简介

ENGINEERING Energy（原Frontiers in Energy）是中国工程院院刊能源分刊，由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。

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