北理工團隊在太陽能光電催化分解水方面取得重要進展
發布日期：2023-05-09 供稿：材料學院 巫資龍 攝影：材料學院
編輯：牟雪嬌 審核：金海波 閱讀次數：
近日，北京理工大學材料學院陳卓、曹傳寶團隊與中科院高能物理所董俊才、悉尼大學趙慎龍合作，通過半導體與電催化劑相結合，運用界面工程策略設計制備了復合光陽極，并將其應用于連續水分解產氧。其優勢在于：1）將傳統的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，從而實現遠大于傳統的光電流增益。此外，通過Operando X射線吸收譜闡明OER過程中光的引入及TQ-NiFe中半導體-電催化劑的納米界面對性能提高的潛在機制。相關研究成果發表在Nature Communications上。
圖1 碳布上生長TQ-NiFe的制備流程示意圖及相關表征。
通過將電催化劑（NiFe LDHs）與半導體（TiO2-CdS/CdSe-MoS2）相結合，運用界面工程策略設計制備了生長在碳布上的復合催化劑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之間構建的梯形能帶結構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定性。
圖2 TQ-NiFe，TQ和T-NiFe的光電催化性能。
在PEC區域，TQ-NiFe作為光陽極在水分解反應中的起始電壓為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。
在高電位電催化區域，TQ-NiFe在光照下有較低的電化學OER活化能、Tafel斜率以及較大的電化學活性面積、本征催化活性和優異的長期穩定性。由暗態轉變為光照狀態時，當外加偏壓增大到1.65 V vs RHE，復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恒電位下所產生的電流密度（15 mAcm?2）在長達100 h的穩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，導致更低的Tafel斜率和活化能，進而提高了OER的催化活性，為開發水分解催化系統提供了新思路。
綜上所述，本文通過將NiFe LDHs電催化劑復合在MoS2作為保護層的CdS/CdSe量子點敏化TiO2納米棒基底上（TQ-NiFe），構建了一個三維多成分結構。TQ-NiFe復合光電極具有優異的光電化學性能及高陽極電位區域卓越的光增強電化學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，導致更低的Tafel斜率和活化能。這些發現為開發水分解催化系統提供了一條新思路。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38285-z
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