仿神经网状结构ZnO-CdO纳米复合光阳极的精准调控及其高效太阳能水分解性能研究

本文报道了通过连续离子层吸附反应法（SILAR）首次制备出具有神经网状结构的ZnO-CdO纳米复合光阳极，其独特的形貌显著提升了光吸收能力和载流子分离效率。XRD证实材料具有10 nm晶粒尺寸和15.0×1015 m-2位错密度，光电化学测试显示0.52 mA cm-2的电流密度，较纯ZnO提升10倍。该研究为开发高效稳定的太阳能水分解系统提供了新思路。

　　

材料设计与合成方法
研究团队采用连续离子层吸附反应法（SILAR）在氟掺杂氧化锡（FTO）基底上制备ZnO-CdO纳米复合材料。通过调控40-100次沉积循环，获得具有神经网状结构的特殊形貌。X射线衍射（XRD）分析显示复合材料同时存在六方纤锌矿结构的ZnO（JCPDS 75-0576）和立方结构的CdO（JCPDS 05-0640），平均晶粒尺寸约10 nm，微应变达14.4×10^-3。

形貌与结构特征
扫描电镜（SEM）显示随着沉积循环增加，材料逐渐形成三维互连的神经网状结构。高分辨透射电镜（HR-TEM）证实存在ZnO（004）晶面（间距0.129 nm）和CdO（111）晶面（间距0.241 nm）的共存。选区电子衍射（SAED）呈现多晶环状图案，电子能量损失谱（EELS）证实Zn、Cd、O元素均匀分布。

光学与电子特性
紫外-可见光谱显示复合材料吸收边红移至539 nm，带隙从ZnO的3.12 eV降至2.35 eV。X射线光电子能谱（XPS）证实Zn²⁺（1021.85 eV）和Cd²⁺（405.60 eV）的化学态，氧1s谱分解出晶格氧（530.37 eV）和羟基氧（531.97 eV）组分。拉曼光谱检测到ZnO的E₂（high）模（437 cm^-1）和CdO的（LO+TO）模（563 cm^-1）。

光电化学性能
在0.1 M KOH电解液中，C-100样品表现出0.52 mA cm^-2的光电流密度（0.9 V vs SCE），起始电位负移271 mV。莫特-肖特基（Mott-Schottky）测试测得载流子密度达22.53×10²⁵ m^-3，电化学阻抗谱（EIS）显示电荷转移电阻（R_ct）低至8.52 kΩ cm²。计时电流法证实35.54 ms的长载流子寿命，转换效率达0.14%。

机制分析
神经网状结构通过增加电解质接触界面和光捕获能力促进电荷分离。能带工程通过CdO的窄带隙（2.3 eV）拓宽光响应范围，氧空位缺陷作为活性位点提升水氧化动力学。ZnO-CdO异质结形成n-n型能带排列，有效抑制电子-空穴复合。

应用前景
该工作为开发低成本、高效率的光电催化体系提供了新策略，其简易的SILAR制备工艺具有规模化应用潜力。未来可通过表面修饰和结构优化进一步提升性能，推动太阳能-氢能转化技术的实际应用。