最近幾年，光電化學(xué)(PEC)水(H2O)氧化產(chǎn)H2O2與陰極產(chǎn)氫(H2)相結(jié)合的方法得到了發(fā)展，其可替代傳統(tǒng)的能量密集的蒽醌法來生產(chǎn)H2O2。然而，由于半導(dǎo)體中電荷轉(zhuǎn)移緩慢和活性位點(diǎn)數(shù)量有限，極大地限制了H2O2的產(chǎn)量和效率。在各種金屬半導(dǎo)體中，F(xiàn)e2O3由于其禁帶寬度低、成本低、在堿性條件下穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種很有前景的PEC水氧化光陽極。然而，由于其電荷復(fù)合嚴(yán)重、空穴擴(kuò)散長度短、水氧化過電位大、壽命短等原因，H2O轉(zhuǎn)化為H2O2的PEC性能較低。因此，設(shè)計并開發(fā)具有高效水氧化活性的Fe2O3光陽極對于選擇性H2O2生產(chǎn)具有重要意義。
近日，內(nèi)蒙古大學(xué)王蕾、武利民和高瑞廷等通過在Fe2O3中引入Hf和Ti(Ti/Hf: Fe2O3)，提高了Fe2O3的結(jié)晶度和電荷傳輸能力，以及增加了活性表面位點(diǎn)的數(shù)量，并將其用于高選擇性生產(chǎn)H2O2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制備的Ti/Hf: Fe2O3光陽極在1.5 VRHE下的H2O2產(chǎn)率接近0.41 μmol min?1 cm?2，H2O2的法拉第效率為72.2%；并且該材料在1.23 VRHE時的ABPE高達(dá)0.47%，分別比Ti/Fe2O3、Hf: Fe2O3和Fe2O3高約3.1、5.9和23.5倍。此外，Ti/Hf: Fe2O3光陽極在經(jīng)過5次循環(huán)反應(yīng)后仍保持良好的活性，并且具有超過120小時的穩(wěn)定性，表現(xiàn)出潛在的工業(yè)化應(yīng)用前景。結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究和理論計算，Ti/Hf: Fe2O3光陽極優(yōu)異的H2O2生產(chǎn)性能可歸因于: 1.Hf摻雜有效地提高了Fe2O3的結(jié)晶度，有利于電荷傳輸，減少了內(nèi)部電荷復(fù)合，從而提高了H2O2的產(chǎn)量和法拉第效率；2.表面梯度摻雜抑制了納米棒的結(jié)構(gòu)坍塌，增加了比表面積，引入了大量有利于H2O2生成的活性位點(diǎn)3.二元Hf和Ti摻雜Fe2O3光陽極的協(xié)同作用提高了體載流子密度和H2O2生成動力學(xué)，抑制了O2的生成。綜上，該項(xiàng)工作為太陽能H2O2合成光電極的設(shè)計提供了一種有效的方法，可以推廣應(yīng)用于其他半導(dǎo)體材料。Enhanced charge transfer via heterogeneous doping promotes hematite photoelectrodes for efficient solar H2O2 synthesis. ACS Catalysis, 2024. DOI: 10.1021/acscatal.3c06110
