提高氧化铁光电催化分解水效率的策略进展（英文）

为了解决能源危机与环境污染问题,发展一种可再生的清洁能源至关重要.太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源,而氢气是一种良好的能源载体.利用太阳能光电催化水分解制氢,是一项有望能够解决能源与环境问题的技术,具有很大的应用前景.其中,氧化铁因为具有合适的能带位置与带隙、良好的稳定性与廉价无毒等优点,成为一种理想的光阳极材料.但是,在实际的测试中,氧化铁仅仅只能得到一个较低的光电转换效率,这可能是因为其较短的空穴扩散距离、较低的电导率以及极度缓慢的水氧化反应动力学所致.整个光电催化水氧化可分为三个过程,即光吸收过程、电荷分离过程以及表面空穴注入过程.这三个过程的效率共同决定了器件的太阳能转化效率.鉴于此,本文将从如何提高这三个效率的角度出发,总结近期研究报道中提高氧化铁光电催化分解水效率的一些策略.光吸收过程是指半导体中价带的电子在吸收具有一定能量的光子后发生跃迁,产生空穴-电子对的过程.其光子的损失主要来源于光的反射、透射以及半导体吸收边的限制.提高光吸收效率的主要策略包括制备具有特定纳米结构的氧化铁电极、利用表面等离子体共振效应以及组成双光吸收系统和掺杂等.电荷分离过程指的是受光激发产生的空穴电子对,在内建电场的作用下发生电荷分离,即光生空穴流向电极表面,光生电子流向半导体内部并从外电路导出.电荷分离效率的损失主要来源于光生载流子在迁移过程中的复合.因此,为了提高电荷分离效率,常见的策略是提高载流子在电荷分离过程中的复合时间τ_1和减少电荷迁移到表面(空穴)或者基底(电子)的时间τ_2.具体的策略包括制备特定的纳米结构(缩短体表相距离,减少τ_2)、构建异质结(增强能带弯曲,提高τ_1和减少τ_2)、掺杂(减少τ_2)和钝化复合中心(提高τ_1)等.表面空穴注入是指到达表面的光生空穴发生水氧化反应生成氧气的过程.除了空穴注入外,表面还可能存在复合与逆反应过程.因此,为了提高表面空穴注入效率,我们既可以提高水氧化反应动力学,具体的手段包括引入水氧化催化剂、F掺杂和碱处理等;也可以采用减少复合反应的策略,具体的方法包括引入钝化层、酸处理和高温热处理等;还可以采用减少逆反应的方法,最常见的手段就是在基底与氧化铁层之间引入电子阻挡层.上述三种途径都能提高表面空穴注入效率.最后,通过结合上述的一些策略,目前得到的最高性能的氧化铁电极在1.23 V(相对于可逆氢电极)能够达到6 mAcm-2的光电催化分解水电流,但这个值依然明显低于氧化铁的理论值(12.6 mAcm~(-2)).这可能是由于体相复合所致.除此之外,氧化铁表面的水氧化机理现在依然不清晰,这些都是需要我们在未来解决的问题.     

TiO_2纳米阵列光阳极光电催化水分解研究进展

光电催化水分解制氢是目前解决能源危机与环境污染最理想的技术之一.设计和构筑高效的光阳极是实现光电催化技术实际应用的关键.在众多半导体光阳极材料中,TiO_2纳米阵列由于其快的电荷传输速率,高的光热稳定性,无毒和成本低等优点,已经被广泛用于光电催化水分解反应的研究.但是TiO_2本征的光吸收范围窄、光生电荷复合率高、表面水氧化动力学缓慢严重地制约了其太阳能-氢能转换效率.我们结合近年来国内外及本课题组的研究工作详细论述了TiO_2纳米阵列的改性策略,主要包括利用元素掺杂来拓展TiO_2的光吸收范围并提高导电性,构筑异质结促进光电极电荷的分离与转移,半导体敏化增加光电极的可见光吸收并促进电荷转移,表面处理用于增加表面水氧化反应速率.最后指出了该材料发展现状,并对其发展前景做出展望.我们为进一步提高TiO_2纳米阵列的光电催化水分解活性提供了理论指导和实践借鉴.     

BiVO4/ZnFe2O4同型异质结光阳极的构筑及其光电催化分解水性能

光生电子-空穴对的复合被认为是限制BiVO₄材料光电催化转换效率的重要原因之一。基于此,通过简单的水热-煅烧方法构筑了BiVO₄/ZnFe₂O₄同型异质结光阳极,BiVO₄/ZnFe₂O₄复合光阳极在1.23 V(vs RHE)下的光电流密度为3.33 mA·cm^-2,较纯BiVO₄提升了2倍(1.20 mA·cm^-2)。相关的结构及性能测试表明,BiVO₄和ZnFe₂O₄形成了带隙错开的n-n异质结,使得光生载流子得到有效分离,更有效地参与水氧化过程,进而提高了BiVO₄的光电催化水分解性能。     

双反应位点共修饰WO3光催化活化甲烷(英文)

在温和条件下将CH₄转化为液态含氧化合物,对解决能源和环境问题,实现可持续发展具有重要意义.光催化CH₄转化技术可利用光能驱动载流子分离,实现温和条件下CH₄直接转化.然而,该过程面临着活性低和选择性差的瓶颈问题.WO₃作为常见的光催化剂之一,具有热稳定好、可见光响应性能好和价带空穴氧化能力强等特性,但存在光生电荷容易复合的问题.助催化剂能够发挥促进光生电荷分离和加速表面催化反应的双重作用,有助于局域电子密度的重新分布,从而促进光生电荷的分离和转移.然而,单一助催化剂促进光生电荷分离具有一定局限性,为了进一步加强光生电荷的分离和转移,引入氧空位(OVs)是个很好的选择, OVs不仅可通过插入杂质能级增强光吸收和促进电荷分离,而且可以促进小分子吸附和活化,进而加速表面反应动力学.本文采用双活性位点Pd纳米颗粒和OVs改性的WO₃为催化剂,实现温和条件下CH₄转化为液体含氧化合物.参照文献(J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 4486-...     

TiO2/石墨烯复合材料的光生电荷分离调控与光催化产氢性能研究

半导体光生电荷分离是光催化过程中的关键步骤之一,其效率极大地影响了最终光催化性能.将TiO₂纳米片与石墨烯复合,能够促进TiO₂中光生电子和空穴的分离,从而提高其光催化活性.为了研究光生电荷的分离对TiO₂/石墨烯复合材料光催化性能的影响,通过调控TiO₂纳米片的尺寸来调节TiO₂/石墨烯复合材料中光生电荷分离的能力,然后研究其对TiO₂/石墨烯复合材料光催化性能的影响.合成了一系列不同厚度的TiO₂纳米片,将其与石墨烯复合,并通过光沉积负载Pt纳米颗粒作为助催化剂,用于光催化产氢.实验结果显示,随着TiO₂纳米片厚度减小,其与石墨烯形成的复合结构的光催化性能显著提高.这主要是由于TiO₂纳米片厚度减小时,光生电子沿厚度方向穿过TiO₂纳米片迁移到石墨烯的距离缩短,从而减少了光生电子在迁移过程中与空穴的复合;同时TiO₂纳米片厚度减小使其比表面积增大,使得TiO₂/石墨烯界面面积增大,从而使石墨烯更好地分离出TiO₂中的光生电子,有更多的光生电子到达石墨烯参与催化反应,提高TiO₂/石墨烯复合材料的光催化性能.此研究表明通过控制TiO₂纳米片的尺寸来调控TiO₂/石墨烯复合材料中光生电子和空穴的分离,是显著提高其光催化性能的有效途径.     

硫化钴装饰BiVO4光阳极提升其光电化学水分解性能

太阳能驱动的光电化学(PEC)水分解可以有效地将太阳能转化为化学能,作为解决环境排放和能源危机最具前景的途径之一,已经引起了科学界的广泛关注.PEC水分解系统由两个半反应组成:在光阳极上的析氧反应(OER)和光阴极上的析氢反应(HER).PEC系统的太阳能转化效率主要由光阳极/电解质界面的OER过程所决定,这是一个非常复杂且涉及质子偶联的多步四电子转移过程.钒酸铋(BiVO₄)是应用于PEC水分解的典型且具有实际应用前景的光阳极材料之一.然而,由于不良的表面电荷转移、电荷在光阳极/电解质结面处的表面复合以及缓慢的OER动力学等因素,导致BiVO₄的PEC性能受到严重限制.本文开发了一种新颖有效的解决方案,以低成本、高电导率和具有快速电荷转移能力的硫化钴装饰来提升BiVO₄光阳极的PEC活性,X射线多晶衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等表征,研究结果表明CoS成功装饰于BiVO₄表面.采用紫外-可见吸收光谱(UV-VisDRS)研究了BiVO₄和复合光阳极CoS/BiVO₄的光学性质,结果表明,与纯的BiVO₄相比,CoS/BiVO₄光阳极在可见光范围内光吸收能力有所增强.将制备的BiVO₄和CoS/BiVO₄光阳极应用于PEC分解水实验中,结果表明,相对于1.23 V可逆氢电极,在光照下,CoS/BiVO₄光阳极的光电流密度显著提升,可高达3.2 m Acm^-2,是纯BiVO₄的2.5倍以上.与纯BiVO₄相比,CoS/BiVO₄光阳极的起始氧化电位显示出负向偏移0.2 V,表明析氧过电势得到有效减小.入射光子转换效率(IPCE)测试结果表明,CoS/BiVO₄光阳极的入射光子转换效率在500 nm之前的可见光范围内得到明显提升,其中,CoS/BiVO₄的IPCE值在380 nm处达到最大.此外,由于CoS的装饰作用,CoS/BiVO₄光阳极的电荷注入效率和电荷分离效率均得到较大的提升,分别达到75.8%(相较于纯BiVO₄光阳极的36.7%)和79.8%(相较于纯BiVO₄光阳极的66.8%).电化学阻抗谱(EIS)测试结果表明,通过CoS的装饰,CoS/BiVO₄光阳极的界面电荷转移电阻得到有效降低,证明其界面电荷转移动力学得到有效提升.光致发光光谱测试结果表明,CoS的装饰显著提高了BiVO₄的光生电子-空穴对的分离效率,进一步证明BiVO₄表面的CoS装饰在其PEC分解水中起着非常积极的作用.本文为通过表面修饰设计应用于PEC水分解的有效的光阳极提供了新思路.     

高效的CdS/Ti-Fe2O3异质结光阳极:研究Z型电荷迁移机制增强光电化学水氧化活性

近年来以Z型机制为转移的光催化体系成微光电化学分解水领域的研究热点.相比较传统的异质结,Z型异质结能够保留具有高氧化能力与高还原能力的位点,从而提高光电化学效率.其中,证明电荷的Z型迁移机制成为研究人员努力的方向,比较有效的证明方法包括自由基捕获、XPS分析和检测还原位点等.对于Z型异质结,界面电场处电荷的迁移行为是至关重要的,但目前常用的证明手段对界面电场处电荷的迁移行为研究还比较少.因此,本文精心设计了CdS/Ti-Fe₂O₃异质结光阳极来探索光电化学分解水中的电荷转移行为.采用开尔文探针测试、表面光电压谱测试和瞬态光电压谱测试等光物理测试手段监测CdS/Ti-Fe₂O₃Z型异质结光阳极界面电场中光生电荷的迁移行为.其中,开尔文探针和表面光电压测量表明,CdS/Ti-Fe₂O₃界面驱动力有利于激发电子快速迁移至CdS;由于Z型异质结是一个双光子的过程,因此在瞬态光电压的过程中采取了双光束策略,即用不同波长的光分别从两个半导体侧进行照光,以充分发挥内层CdS的电子传输层的作用.结果表明,在双光束照射下界面电场增强,使得更多Ti-Fe₂O₃电子与CdS空穴结合,使得更多Ti-Fe₂O₃电子与CdS空穴结合,更多的空穴迁移到Ti-Fe₂O₃的表面去参与反应,充分证明了CdS/Ti-Fe₂O₃光阳极的Z型迁移机制.基于界面电场有效的电荷迁移与分离的分析,对Z型异质结光阳极进行了光电化学的测试,与单纯Ti-Fe₂O₃光阳极相比,CdS/Ti-Fe₂O₃光阳极表现出优异的光电化学性能.其中,25CdS/Ti-Fe₂O₃光阳极的光电流密度在1.23V(相对于标准氢电极)达到1.94 mA/cm²,比单纯Ti-Fe₂O₃光电流高出两倍.阻抗测试结果表明,CdS/Ti-Fe₂O₃光阳极能够减小电荷传输阻力,从而加快电荷分离效率,这也间接证明了Z型光阳极的成功构筑,因此,本文提供了一个有效且新颖的手段来证明光电化学分解水中光催化系统的Z型电荷转移机制.     

TiO2提高富碳氮化碳的光生电荷存储性能

氮化碳材料固有的导电性差、电子迁移率低等问题导致高光生电荷复合率,阻碍了其光生电荷存储性能的提高.为此,构建了TiO₂富碳氮化碳共轭聚合物(CPCN)界面异质结,以提高光生电荷分离率.采用具有高比表面积(220.03 m²/g)的TiO₂纳米晶介孔薄膜作为电子传输物质,通过增大TiO₂与CPCN之间的界面面积提高了电极反应活性,促进了光生空穴的高效抽取,获得了197 C/g的光生电荷存储容量.     

光激发电荷在光催化氧化还原反应中的全利用（英文）

光催化转化CO₂为碳氢燃料，分解水产氢，选择性有机合成，还原N₂为NH₃，降解毒害的有机污染物等对解决能源环境问题有重要意义。早在1972年，研究者利用TiO₂通过光催化实现了全面分解水产氢和产氧。由于低的可见光利用率，严重的载流子复合和过高的水氧化能垒导致光催化全面水分解的效率极低。由于氢相对于氧更具有经济价值，因此牺牲剂辅助的光催化产氢被大量研究。由于牺牲剂可以快速的消耗光生空穴，有效降低了氧化端的能垒，光催化产氢的效率相比于光催化水分解的效率提高了3–4个量级。然而，牺牲剂的使用不仅导致了光生空穴的浪费，成本的提高，还导致了潜在的环境问题。近些年，研究者通过将光催化还原反应和光催化氧化反应结合在一起实现了电子空穴的全面利用，并改进了氧化和还原的效率。同时，电子空穴的全面利用也有效的促进了电荷的分离并提高了催化剂的稳定性。然而，由于全面氧化还原的设计难度大，反应过程复杂，因此光催化全面氧化还原的机理尚不够明确，仍然需要大量的探索。在这篇综述中，首先从光捕获、光激发电荷分离、氧化还原反应的热力学和...     

光电化学分解水电池的电极性能提高方法及光阴极研究进展

光电化学水分解电池能够将太阳能直接转化为氢能,是一种理想的太阳能利用方式. p-n叠层电池具有理论转换效率高、成本低廉、材料选择灵活等优势,被认为是最有潜力的一类光电化学水分解电池. 然而,目前这类叠层电池的太阳能转化效率还不高,主要原因是单个电极的效率太低. 本文介绍了几种提高光电极分解水性能的方法--减小光生载流子的体相复合、表面复合以及抑制背反应等,同时综述了国内外关于几种p型半导体光阴极的研究进展,如Si、InP、CuIn_1-x GaxS(Se)₂、Cu₂ZnSnS₄等. 通过总结,作者提出一种p-Cu₂ZnSnS₄(CuIn_1-xGaxS(Se)₂)/n-Ta₃N₅(Fe₂O₃) 组装方式,有望获得高效低成本叠层光电化学水分解电池.     

A co-activation strategy for enhancing the performance of hematite in photoelectrochemical water oxidation

Hematite(α-Fe_2O_3) is a promising photoanode for photoelectrochemical(PEC) water splitting.However,the severe charge recombination and sluggish water oxidation kinetics extremely limit its use in photohydrogen conversion.Herein,a co-activation strategy is proposed,namely through phosphorus(P)doping and the loading of CoAl-layered double hydroxides(CoAl-LDHs) cocatalysts.Unexpectedly,the integrated system,CoAl-LDHs/P-Fe_2O_3 photoanode,exhibits an outstanding photocurrent density of 1.56 mA/cm~2 at 1.23 V(vs.reversible hydrogen electrode,RHE),under AM 1.5 G,which is 2.6 times of pureα-Fe_2O_3.Systematic studies reveal that the remarkable PEC performance is attributed to accelerated surface OER kinetics and enhanced carrier separation efficiency.This work provides a feasible strategy to enhance the PEC performance of hematite photoanodes.     

Prospects of electrochemically synthesized hematite photoanodes for photoelectrochemical water splitting: A review

Hematite (α-Fe₂O₃) is found to be one of the most promising photoanode materials used for the application in photoelectrochemical (PEC) water splitting due to its narrow band gap energy of 2.1 eV, which is capable to harness approximately 40% of the incident solar light. This paper reviews the state-of-the-art progress of the electrochemically synthesized pristine hematite photoanodes for PEC water splitting. The fundamental principles and mechanisms of anodic electrodeposition, metal anodization, cathodic electrodeposition and potential cycling/pulsed electrodeposition are elucidated in detail. Besides, the influence of electrodeposition and annealing treatment conditions are systematically reviewed; for examples, electrolyte precursor composition, temperature and pH, electrode substrate, applied potential, deposition time as well as annealing temperature, duration and atmosphere. Furthermore, the surface and interfacial modifications of hematite-based nanostructured photoanodes, including elemental doping, surface treatment and heterojunctions are elaborated and appraised. This review paper is concluded with a summary and some future prospects on the challenges and research direction in this cutting-edge research hotspot. It is anticipated that the present review can act as a guiding blueprint and providing design principles to the scientists and engineers on the advancement of hematite photoanodes in PEC water splitting to resolve the current energy- and environmental-related concerns.     

Highly Efficient Photoelectrochemical Water Splitting with an Immobilized Molecular Co4O4 Cubane Catalyst

Molecular Co₄O₄ cubane water oxidation catalysts were combined with BiVO₄ electrodes for photoelectrochemical (PEC) water splitting. The results show that tuning the substituent groups on cobalt cubane allows the PEC properties of the final molecular catalyst/BiVO₄ hybrid photoanodes to be tailored. Upon loading a new cubane complex featuring alkoxy carboxylato bridging ligands ( 1 h ) on BiVO₄, an AM 1.5G photocurrent density of 5 mA cm⁻² at 1.23 V vs. RHE for water oxidation was obtained, the highest photocurrent for undoped BiVO₄ photoanodes. A high solar‐energy conversion efficiency of 1.84 % was obtained for the integrated photoanode, a sixfold enhancement over that of unmodified BiVO₄. These results and the high surface charge separation efficiency support the role of surface‐modified molecular catalysts in improving PEC performance and demonstrate the potential of molecule/semiconductor hybrids for efficient artificial photosynthesis.     

Metal-Organic Framework Glass Catalysts from Melting Glass-Forming Cobalt-Based Zeolitic Imidazolate Framework for Boosting Photoelectrochemical Water Oxidation

Sluggish oxygen evolution kinetics and serious charge recombination restrict the development of photoelectrochemical (PEC) water splitting. The advancement of novel metal–organic frameworks (MOFs) catalysts bears practical significance for improving PEC water splitting performance. Herein, a MOF glass catalyst through melting glass-forming cobalt-based zeolitic imidazolate framework (Co-a_gZIF-62) was introduced on various metal oxide (MO: Fe₂O₃, WO₃ and BiVO₄) semiconductor substrates coupled with NiO hole transport layer, constructing the integrated Co-a_gZIF-62/NiO/MO photoanodes. Owing to the excellent conductivity, stability and open active sites of MOF glass, Co-a_gZIF-62/NiO/MO photoanodes exhibit a significantly enhanced photoelectrochemical water oxidation activity and stability in comparison to pristine MO photoanodes. From experimental analyses and density functional theory calculations, Co-a_gZIF-62 can effectively promote charge transfer and separation, improve carrier mobility, accelerate the kinetics of oxygen evolution reaction (OER), and thus improve PEC performance. This MOF glass not only serves as an excellent OER cocatalyst on tunable photoelectrodes, but also enables promising opportunities for PEC devices for solar energy conversion.     

Activation of α-Fe2O3 for Photoelectrochemical Water Splitting Strongly Enhanced by Low Temperature Annealing in Low Oxygen Containing Ambient

Photoelectrochemical (PEC) water splitting is a promising method for the conversion of solar energy into chemical energy stored in the form of hydrogen. Nanostructured hematite (α-Fe₂O₃) is one of the most attractive materials for a highly efficient charge carrier generation and collection due to its large specific surface area and the short minority carrier diffusion length. In the present work, the PEC water splitting performance of nanostructured α-Fe₂O₃ is investigated which was prepared by anodization followed by annealing in a low oxygen ambient (0.03 % O₂ in Ar). It was found that low oxygen annealing can activate a significant PEC response of α-Fe₂O₃ even at a low temperature of 400 °C and provide an excellent PEC performance compared with classic air annealing. The photocurrent of the α-Fe₂O₃ annealed in the low oxygen at 1.5 V vs. RHE results as 0.5 mA cm⁻², being 20 times higher than that of annealing in air. The obtained results show that the α-Fe₂O₃ annealed in low oxygen contains beneficial defects and promotes the transport of holes; it can be attributed to the improvement of conductivity due to the introduction of suitable oxygen vacancies in the α-Fe₂O₃. Additionally, we demonstrate the photocurrent of α-Fe₂O₃ annealed in low oxygen ambient can be further enhanced by Zn-Co LDH, which is a co-catalyst of oxygen evolution reaction. This indicates low oxygen annealing generates a promising method to obtain an excellent PEC water splitting performance from α-Fe₂O₃ photoanodes.     

Unraveling the role of Ti_3C_2 MXene underlayer for enhanced photoelectrochemical water oxidation of hematite photoanodes

Hematite is regarded as a promising photoanode for photoelectrochemical(PEC) water splitting.However,the charge recombination occurred at the interface of FTO/hematite strictly limits the PEC performance of hematite.Herein,we reported a Ti3C2 MXene underlayer modified hematite(Ti-Fe2O3) photoanode via a simple drop-casting followed by hydrothermal and annealing processes.Owing to the bifunctional role of Ti3C2 MXene underlayer in improving the interfacial properties of FTO/hematite and providing Ti source for the construction of Fe2 TiO5/Fe2O3 heterostructure in hematite nanostructure,the bulk and interfacial charge transfer dynamics of hematite are significantly enhanced,and consequently enhancing the PEC performance.Compared with the pristine hematite,the as-prepared Ti-Fe2O3 photoanode shows an increased photocurrent density from 0.80 mA/cm² to 1.30 mA/cm² at 1.23 V vs.RHE.Moreover,a further promoted PEC performance including a dramatically increased photocurrent density of 2.49 mA/cm² at1.23 V vs.RHE and an obviously lowered onset potential is achieved for the Ti-Fe2O3 sample after the subsequent surface F-treatment and the loading of FeNiOOH cocatalyst.Such results suggest that the introduction of Ti3C2 MXene underlayer is a facile but effective approach to improve the PEC water splitting activity of hematite.     

硫氧键合BiVO4光阳极与FeNi催化剂实现高效水氧化

光电催化分解水可以将充足的太阳能直接转化存储为绿色清洁的氢能,然而光阳极表面缓慢的析氧反应动力学严重限制了太阳能到氢能的转化效率。我们通过一种简单的S-O键合策略实现BiVO4光阳极与FeNi催化剂的界面耦合（S:BiVO4-FeNi）,其光电催化分解水的光电流达到6.43 mA/cm2（1.23 VRHE, AM 1.5G）。进一步研究结果表明：界面S-O键合能够有效实现BiVO4光阳极光生电荷分离并促进空穴向FeNi催化剂表面迁移。同时,S-O键合可以进一步调控FeNi催化剂表面的电荷分布,从而有效提高光电化学分解水析氧活性和稳定性。该工作为设计构建具有高效、稳定的太阳能光电催化分解水体系提供了一种新的研究策略。     

Visible‐Light‐Responsive Photoanodes for Highly Active,Stable Water Oxidation

Solar energy is a natural and effectively permanent resource and so the conversion of solar radiation into chemical or electrical energy is an attractive, although challenging, prospect. Photo‐electrochemical (PEC) water splitting is a key aspect of producing hydrogen from solar power. However, practical water oxidation over photoanodes (in combination with water reduction at a photocathode) in PEC cells is currently difficult to achieve because of the large overpotentials in the reaction kinetics and the inefficient photoactivity of the semiconductors. The development of semiconductors that allow high solar‐to‐hydrogen conversion efficiencies and the utilization of these materials in photoanodes will be a necessary aspect of achieving efficient, stable water oxidation. This Review discusses advances in water oxidation activity over photoanodes of n‐type visible‐light‐responsive (oxy)nitrides and oxides.     

过渡金属电催化剂在硅基光阳极分解水产氧中的作用

光电化学分解水可将太阳能转换为绿色的氢能,为目前的能源危机和环境问题提供了一种理想的解决方案.在分解水反应中,涉及四空穴过程的产氧半反应是制约性能的关键步骤,往往需要在半导体表面沉积电催化剂以加速产氧反应动力学.因此,全面理解电催化剂在光电化学分解水体系中的作用至关重要.在目前的产氧电催化剂中,过渡金属羟基氧化物电催化剂(MOOH,M=Fe,Co,Ni)因其环保、廉价、高效以及稳定的特性,已被广泛用于半导体光阳极分解水器件中.而且,MOOH可用简单的电沉积方法沉积在光电极表面,易于大面积制备.然而,电沉积法制备的MOOH具有复杂的结构,对其作用机制的全面理解更加困难.因此,本文以电沉积MOOH修饰的硅基光阳极(n⁺p-Si/SiO_x/Fe/FeOx/MOOH)作为模型,研究了不同电催化剂对硅光阳极光电化学产氧性能的影响.实验发现电催化剂的界面优化在电催化剂修饰的光电极中发挥着重要作用,这是因为优化的界面可以提升界面电荷传输,提供更多的催化反应活性位点以及更高的本征催化活性,从而更有利于光解水性能的提升.该项研究揭示了电催化剂在光解水器件中的作用,并为今后高效光解水器件的设计提供了一定指导.首先在多晶n⁺p-Si基底上热蒸镀了一层30 nm的金属Fe膜,并通过电化学活化将Fe膜表面转换为FeOx得到Fe/FeOx(记作aFe)界面层,然后利用电沉积方法制备MOOH表面修饰层,最终得到n⁺p-Si/SiO_x/aFe:MOOH光阳极.X射线光电子能谱、拉曼光谱以及扫描电子显微镜表面元素成像的表征结果均证实电极表面由于界面层金属Fe元素的掺杂而形成了Fe1-xNixOOH.在模拟太阳光下用于光解水产氧时,n⁺p-Si/SiO_x/aFe:NiOOH电极的起始电位为~1.01 VRHE(相对于可逆氢电极的电势),在1.23 VRHE下的光电流为38.82 mA cm^-2,显著优于n⁺p-Si/SiO_x/aFe、n⁺p-Si/SiO_x/aFe:FeOOH以及n⁺p-Si/SiO_x/aFe:CoOOH三个对比样品,且其稳定性达到75 h.另外,我们发现n⁺p-Si/SiO_x/aFe:MOOH电极的光电化学产氧性能均显著高于n⁺p-Si/SiO_x/aFe电极,且p++-Si/SiO_x/aFe:MOOH的电催化产氧性能也高于p++-Si/SiO_x/MOOH,不仅证明了aFe界面层对Si与MOOH层之间的界面接触作用的有效调控,而且表明双电催化剂体系(aFe:MOOH)的电催化产氧活性高于单电催化剂(MOOH).热力学分析表明,n⁺p-Si/SiO_x/aFe:MOOH光阳极的光电压大小与其光解水产氧性能并不一致,从而排除了热力学因素对性能的关键影响.进一步从塔菲尔斜率、电化学活性表面积和电化学阻抗谱对各电极的动力学进行了分析,证明了动力学因素在上述光阳极产氧性能中的主导作用.同时发现,由于aFe:NiOOH双电催化剂具有更高的本征电催化产氧性能,提供了更多的表面活性位点以及更有效地促进了光生载流子的传输,对动力学的提升效果更显著,从而使n⁺p-Si/SiO_x/aFe:NiOOH光阳极表现出最高的光解水产氧性能.