必威肖静冉&王博在光阳极水氧化反应位点调控研究的最新进展

近日，必威肖静冉（学术教授）、王博（教授）等人在光电催化水分解领域取得最新进展，相关成果以“Balancing charge recombination and hole transfer rates in hematite photoanodes by modulating the Co²⁺/Fe³⁺ sites in the OER cocatalyst”为题发表在国际知名学术期刊Journal of Colloid and Interface Science上（中科院一区Top，影响因子：9.9）。

研究背景

光电化学（PEC）水分解被是利用太阳能制取绿色氢气的理想途径之一。氧化铁（Fe₂O₃）光阳极具有高的理论光制氢效率和光化学稳定性，极具应用前景和理论研究价值。在表面态的作用下，单一氧化铁表面电荷复合严重、电荷转化效率低，导致其光电流开启电压高、光电流密度低。低偏压下光电流受电荷复合速率控制，高偏压光电流受水氧化反应速率控制。通过引入Fe、Co、Ni基助催化剂可通过促进空穴积累或加速反应动力学提升Fe₂O₃的PEC性能。活性组分位点作用机制及相互影响行为分析是指导高效多组分复合型助催化剂研发的关键科学问题。

成果介绍

本文研究了复合助催化剂中Co和Fe位点对Fe₂O₃光阳极的PEC水分解性能的影响。采用一步水热法合成了Co²⁺/Fe³⁺比例可调的钴/铁基复合（Co-Fe-O）助催化剂。结果表明，Co²⁺位点具有较强低偏压空穴捕获能力，可减低电荷复合速率。并且，当Fe³⁺的部分取代时，Co²⁺的空穴捕获能力几乎不受影响。然而，由于Co位点上的析氧动力学比Fe位点上的慢，Co²⁺位点电荷转化速率使降低。Fe³⁺位点占比越高，其氧化动力学越快。因此，Co²⁺/Fe³⁺的比例调制有利于表面捕获态的重新分配，平衡电荷复合和电荷转移速率。当Co²⁺/Fe³⁺比例为1:2时，助催化剂为CoFe₂O₄纳米颗粒，光阳极的低偏压光电流密度最高，在1.0 V vs. RHE下达到1.6 mA cm^-2（较无修饰的Fe₂O₃提高了2.4倍）。当Co²⁺/Fe³⁺比例为1:4时，助催化剂为CoFe₂O₄和Fe₂O₃，光阳极的高偏压光电流密度最高，在1.6 V vs. RHE下达到3.8 mA cm^-2 （较无修饰的Fe₂O₃提高了2.3倍）。本研究通过助催化剂活性位点操控和作用机制分析，为高性能Fe2O3光阳极的设计提供了新的见解。

该研究成果得到福建省自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金青年项目、国家自然科学基金青年项目等项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.10.086