光電化學(PEC)“人造葉”技術利用光陽極和光陰極以化學鍵的形式儲存可再生太陽能(例如水分解產生的氫氣)，是實現可擴展和成本效益高的太陽能燃料生產的最有前途的能量轉換技術之一。在這方面，光電極材料對于電化學轉換器件的轉換效率和經濟性能具有重要意義。尖晶石型鐵氧體(MFe2O4，M代表二價金屬離子)具有良好的能帶結構、優(yōu)異的可見光捕獲能力、光化學穩(wěn)定性以及靈活的結構調整等優(yōu)點，在PEC水分解的光電極研究中顯示出巨大的潛力。
然而，最先進的MFe2O4基光電極的性能仍然遠遠不能滿足實際制氫的需求。因此，制定有效的策略來提升MFe2O4基光電極在PEC的活性是一項緊迫而又具有挑戰(zhàn)性的任務。近日，中國科學技術大學鮑駿、朱曉娣和瑞士洛桑聯邦理工學院Kevin Sivula等報道了一種熔鹽介導策略，準確地在鋅鐵氧體(ZnFe2O4，ZFO)表面引入Ni2+((ZFO-MSNi)來促進PEC水氧化的活性。PEC水氧化實驗結果表明，制備的光陽極(ZFO-MSNi)的起始電位顯著向陰極偏移，偏移大約450 mV (起始電位大約為0.6 VRHE)；，ZFO-MSNi在1.23 VRHE下的光電流密度約為0.36 mA cm?2，是ZFO的三倍。實驗結果表明，在催化劑中引入Ni2+形成Ni2+-Fe(3?σ)+雙中心的邊共享八面體結構有效地促進了ZFO-MSNi光陽極的表面活性，導致光電極/電解質界面光電壓(熱力學貢獻)增加和η (動力學貢獻)降低，從而使得PEC水氧化的起始電位發(fā)生顯著的陰極偏移。對于改進后的光電流，由于電極/電解質界面的水氧化反應明顯增強，可以更有力、更有效地驅動光陽極的光生載流子轉移。綜上，這項工作為在不破壞透明導電基板上光電極本體結構的情況下構建高催化活性表面提供了新的途徑，并且揭示了決定性能的光電極/電解質界面的內在因素，這兩者都有助于推進太陽能電池驅動能量轉換研究領域的發(fā)展。Edge-Sharing Octahedrally Coordinated Ni?Fe Dual Active Sites on ZnFe2O4 for Photoelectrochemical Water Oxidation. Advanced Science, 2023. DOI: 10.1002/advs.202301869
