光電化學(xué)(PEC)水分解制氫是一種制備綠色氫氣能源的有效策略。對(duì)用于光電化學(xué)水分解的催化劑進(jìn)行修飾和改進(jìn)有利于提高其催化效率。然而，通過(guò)常規(guī)的物理組合不能有效構(gòu)建良好的光催化劑/電催化劑界面，導(dǎo)致光響應(yīng)組分的高界面阻抗和較差的電荷分離和遷移率，這將降低光生電荷從光催化劑到電催化劑表面的擴(kuò)散效率，并在很大程度上限制其整體效率和商業(yè)化。因此，在合理的集成光/電催化劑之間建立定向電荷轉(zhuǎn)移通道以促進(jìn)界面電荷轉(zhuǎn)移是改善光電催化水分解能量轉(zhuǎn)換效率的最關(guān)鍵步驟之一。
近日，湖南大學(xué)黃維清和黃桂芳等以碳點(diǎn)/氮化碳(CCN)納米管和FeOOH/FeCo層狀雙氫氧化物(FFC)納米片(CCN@FFC)為模型，在單片集成電極中構(gòu)建定向電荷轉(zhuǎn)移通道，以提高光輔助水分解的整體性能。具體而言，在電沉積過(guò)程中，陰極表面的Fe3+離子優(yōu)先結(jié)合碳點(diǎn)表面的活性羥基以形成C–O–Fe鍵，從而在CCN和FFC之間建立了一座橋梁，這導(dǎo)致電荷定向轉(zhuǎn)移，從而促進(jìn)光生電子空穴的有效分離。因此，在可見(jiàn)光照射下，CCN@FFC電極在10、50和100 mA cm?2電流密度下的OER過(guò)電位分別為182、218和239 mV，并且具有60 h的優(yōu)異的催化耐久性；對(duì)于光電催化HER，CCN@FFC在10 mA cm?2電流密度的HER過(guò)電位為68 mV，Tafel斜率為38 mV dec?1。此外，使用CCN@FFC催化劑作為陽(yáng)極和陰極的雙電極電解槽在10 mA cm?2處僅需1.435 V的低電池電壓。光譜表征和理論計(jì)算表明，CCN和FFC之間的界面C–O–Fe鍵可以作為電荷轉(zhuǎn)移通道，使得光生電荷載流子在CCN和FFC之間定向遷移，進(jìn)而激活晶格氧實(shí)現(xiàn)Fe-Co雙中心結(jié)構(gòu)，從而大大提高了整體水分裂性能?？偟膩?lái)說(shuō)，這項(xiàng)工作中的定向電荷轉(zhuǎn)移調(diào)制策略為設(shè)計(jì)高活性和高成本效益的多功能光/電催化劑提供了指導(dǎo)。Directional Charge Transfer Channels in a Monolithically Integrated Electrode for Photoassisted Overall Water Splitting. ACS Nano, 2023. DOI: 10.1021/acsnano.2c09659
