北理工團隊在太陽能光電催化分解水方面取得重要進展
發(fā)布日期：2023-05-09 供稿：材料學(xué)院 巫資龍 攝影：材料學(xué)院
編輯：牟雪嬌 審核：金海波 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)材料學(xué)院陳卓,、曹傳寶團隊與中科院高能物理所董俊才、悉尼大學(xué)趙慎龍合作,，通過半導(dǎo)體與電催化劑相結(jié)合,，運用界面工程策略設(shè)計制備了復(fù)合光陽極，并將其應(yīng)用于連續(xù)水分解產(chǎn)氧,。其優(yōu)勢在于：1）將傳統(tǒng)的PEC拓展至更高的陽極電位,；2）通過光促進電催化劑的本征催化活性提升，從而實現(xiàn)遠大于傳統(tǒng)的光電流增益,。此外,，通過Operando X射線吸收譜闡明OER過程中光的引入及TQ-NiFe中半導(dǎo)體-電催化劑的納米界面對性能提高的潛在機制。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Communications上,。
圖1 碳布上生長TQ-NiFe的制備流程示意圖及相關(guān)表征,。
通過將電催化劑（NiFe LDHs）與半導(dǎo)體（TiO2-CdS/CdSe-MoS2）相結(jié)合，運用界面工程策略設(shè)計制備了生長在碳布上的復(fù)合催化劑TiO2-CdS/CdSe-MoS2-NiFe LDH（TQ-NiFe）,。其中,，CdS、CdSe作為光吸收劑能夠擴寬光吸收范圍,，并且其與TiO2之間構(gòu)建的梯形能帶結(jié)構(gòu)能夠有效地促進電荷的分離及運輸,，而MoS2作為保護層可以進一步提高催化劑的穩(wěn)定性。
圖2 TQ-NiFe,，TQ和T-NiFe的光電催化性能。
在PEC區(qū)域,，TQ-NiFe作為光陽極在水分解反應(yīng)中的起始電壓為0.238 V vs RHE,，其在0.991V vs RHE的極低電位下即可實現(xiàn)10 mA cm-2的光電流密度，比理論水分解電勢（1.229 V vs RHE）低238 mV,，并優(yōu)于已報道的先進光陽極,。
圖3 TQ-NiFe在有無光照條件下的電催化OER性能。
在高電位電催化區(qū)域,，TQ-NiFe在光照下有較低的電化學(xué)OER活化能,、Tafel斜率以及較大的電化學(xué)活性面積、本征催化活性和優(yōu)異的長期穩(wěn)定性,。由暗態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庹諣顟B(tài)時,，當(dāng)外加偏壓增大到1.65 V vs RHE，復(fù)合催化劑的電流密度將從57升至194 mA cm-2，提升了3.4倍,。此外,，該光電極在0.2V恒電位下所產(chǎn)生的電流密度（15 mAcm?2）在長達100 h的穩(wěn)定性測試后仍可保持95%。
圖4 在有無光照條件下,，TQ-NiFe于不同電位下的Operando Ni K-edge XANES譜,。
以TQ-NiFe為研究對象，通過Operando X射線吸收光譜證實性能提升的機制分析,。結(jié)果表明在光下,，樣品能夠在較低的陽極電位下形成更多的Ni3+/4+活性物種，從而顯著加速OER動力學(xué),，導(dǎo)致更低的Tafel斜率和活化能,，進而提高了OER的催化活性，為開發(fā)水分解催化系統(tǒng)提供了新思路,。
綜上所述,，本文通過將NiFe LDHs電催化劑復(fù)合在MoS2作為保護層的CdS/CdSe量子點敏化TiO2納米棒基底上（TQ-NiFe），構(gòu)建了一個三維多成分結(jié)構(gòu),。TQ-NiFe復(fù)合光電極具有優(yōu)異的光電化學(xué)性能及高陽極電位區(qū)域卓越的光增強電化學(xué)OER性能,。通過Operando X射線吸收光譜證實了改進的機制，為光能夠在較低的陽極電位下形成更多的Ni3+/4+活性種,，從而顯著加速OER動力學(xué),，導(dǎo)致更低的Tafel斜率和活化能。這些發(fā)現(xiàn)為開發(fā)水分解催化系統(tǒng)提供了一條新思路,。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38285-z
分享到：