光電化學(PEC)水分解制氫作為一種將太陽能轉(zhuǎn)化為儲存在氫中的化學能的零排放技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。半導體金屬氧化物因其優(yōu)異的穩(wěn)定性常常作為PEC水分解的光陽極。
然而，半導體金屬氧化物的光生載流子壽命短、較短的載流子擴散距離和緩慢的水氧化動力學，嚴重阻礙了PEC水分解的進一步發(fā)展。基于此，西安交通大學沈少華課題組通過原子層沉積(ALD)和光沉積策略，成功在摻鈦α-Fe2O3(Ti:Fe2O3)納米棒上連續(xù)沉積超薄CoOx層和Ni單原子(Ti:Fe2O3/CoOx/Ni)。采用超薄金屬氧化物覆蓋層和SAC協(xié)同修飾光電極，可以顯著減少表面光生電子-空穴復合，加速表面水氧化動力學，從而提高PEC的水分解性能。具體而言，在模擬太陽輻照條件下，Ti:Fe2O3/CoOx/Ni光陽極的光電流密度由1.23 VRHE時的0.326 mA cm-2提高到1.05 mA cm-2。此外，Ti:Fe2O3/CoOx/Ni也表現(xiàn)出優(yōu)異的PEC穩(wěn)定性，其在10小時PEC反應期間沒有發(fā)生明顯的光電流衰減。實驗結(jié)果和理論計算表明，超薄CoOx覆蓋層的表面鈍化作用減少了表面光生載流子的復合，Ni單原子的表面催化作用加速了水氧化反應。由CoOx和Ni單原子協(xié)同作用引起的表面電子結(jié)構(gòu)的變化將降低OH*中間體的吸附能，進而降低OER決速步(OH*→O*)的能壘，有利于在Ti:Fe2O3/CoOx/Ni光陽極上PEC水分解反應的進行。總的來說，該項工作為Ti:Fe2O3基光電極的表面電化學和電子結(jié)構(gòu)改性提供了一種簡便有效的方法，這也適用于對其他半導體基光電極的修飾改性以實現(xiàn)高效太陽能-燃料轉(zhuǎn)化。Synergy of Ultrathin CoOx Overlayer and Nickel Single Atoms on Hematite Nanorods for Efficient Photo-Electrochemical Water Splitting. Small, 2022. DOI: 10.1002/smll.202203838
