利用粒子半導體進行光催化水分解是一種利用陽光生產可再生氫氣的重要方法。要使光催化太陽能制氫在經濟上可行，主要挑戰(zhàn)之一是開發(fā)能夠提供5%或更高的太陽能-氫能轉換效率(STH)的水分解體系。
其中，摻雜鋁的SrTiO3光催化劑(STO:Al)在紫外光下的全水解(OWS)反應中表現出超過90%的表觀量子產率(AQY)。盡管一些摻雜的氧化物和非氧化物半導體光催化劑在可見光下顯示出優(yōu)異的OWS活性，但它們的AQY和STH在紫外光區(qū)比STO:Al低幾倍，部分原因是它們較窄的帶隙導致了較低的反應性。基于此，信州大學Kazunari Domen等人的研究表明，無定形二氧化硅涂層在熱水中耐用，并且可以有效地抑制氧還原反應(ORR)，使催化劑在高壓和高溫下保持其STH值，這一發(fā)現將有助于實際太陽能制氫的發(fā)展。在研究ZOWS光催化劑片材在高壓下的反應性能之前，本文對應用于片材上的析氫光催化劑(HEP)和析氧光催化劑(OEP)材料進行了篩選。在負載Cr2O3/Rh和CoOx助催化劑后，無論BVO:Mo的類型如何，在2 kPa和283 K的可見光照射下，使用LTCA:Mg,Al作為HEP的LTCA/Au/BVO:Mo光催化劑的全水解活性均比使用LTCA:Ga的光催化劑的活性高35%，但兩者的結構特征相似。這可能是由于在合成LTCA相之前應用浸漬-煅燒過程改善了陽離子摻雜的可控性。此外，無論LTCA中的摻雜劑是什么，由BVO:Mo(h)制成的光催化劑片比由BVO:Mo(s-l)制成的光催化劑片的活性高20%，這表明使用小的BVO:Mo顆粒是有利的。因此，由LTCA:Mg,Al作為HEP和BVO:Mo(h)作為OEP組成的光催化劑獲得了最高的活性。需要注意的是，沒有負載助催化劑的光催化劑在可見光下的H2和O2的產量十分低，這是由于缺少表面活性位點。之后，根據CoOx/Cr2O3/Rh助催化劑修飾的LTCA:Mg,Al/Au/BVO:Mo(h)的作用光譜可以發(fā)現，在283 k和2 kpa條件下，催化劑在420±10 nm處的AQY為14.4%。當溫度升高至301 K、4 kPa時，催化劑在420±10 nm處的AQY增加至16.3%。相應的，催化劑在模擬陽光照射下測試得到的STH值由2 kPa和283 K時的0.52%增加到4 kPa和301 K時的0.67%，這些AQY和STH值在迄今為止報道的光催化劑中也是最高的。通過對水熱穩(wěn)定的非晶態(tài)氧化物材料的研究，發(fā)現由四乙基硅酸乙酯(TEOS)水解而成的非晶態(tài)SiO2在高溫下穩(wěn)定且能抑制ORR，同時保持析氫反應(HER)活性。根據SiO2修飾的CoOx/Cr2O3/Rh/LTCA:Mg,Al/Au/BVO:Mo(h)的全水解活性隨Ar壓力的變化可以發(fā)現，將壓力從2 kPa提高到90 kPa，催化劑的活性降低27%，但這一降幅小于沒有任何表面改性或有TiO2改性的催化劑的降幅。此外，研究發(fā)現SiO2的最佳用量為8.1 mg/9 cm2，其中SiO2修飾的光催化劑在90 kPa時表現出最高的全水解活性。在接近大氣的壓力下，薄片以2:1的化學計量比穩(wěn)定地析出H2和O2氣體。本文還在模擬陽光下，在283到333 K、90 kPa的條件下研究了催化劑的全水解活性。研究后發(fā)現，催化劑的全水解活性隨溫度的升高而增加，在420 nm，333 K時的AQY為9.7%，STH值為0.41%。總之，本文的研究結果有助于開發(fā)高效的光催化水分解體系，同時也有助于實現大規(guī)模的太陽能燃料生產。Oxide Layer Coating Enabling Oxysulfide-Based Photocatalyst Sheet to Drive Z-Scheme Water Splitting at Atmospheric Pressure, Joule, 2023, DOI: 10.1016/j.joule.2023.05.018.https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.05.018.
