光電化學(xué)(PEC)水分解技術(shù)被認(rèn)為是將太陽能轉(zhuǎn)化為可再生氫燃料的一種潛在的環(huán)境友好途徑。在各種光電極中，金屬氧化物陽極以其帶隙可調(diào)、化學(xué)穩(wěn)定性好和成本低等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的研究。以赤鐵礦(α-Fe2O3)為例，其合適的帶隙(2.0-2.2 eV)可以有效地收集可見光。相應(yīng)地，理論上的太陽能-氫氣轉(zhuǎn)換(STH)效率可以達(dá)到16.8%，超過了實(shí)際應(yīng)用所需的10%的基準(zhǔn)STH效率。
同時(shí)，α-Fe2O3在堿性電解質(zhì)中極其穩(wěn)定，是最有前途的光電陽極之一。然而，α-Fe2O3光陽極仍然存在嚴(yán)重的電荷重組、低載流子密度和緩慢的析氧反應(yīng)(OER)動力學(xué)等問題。獲得高性能的α-Fe2O3光陽極仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。近日，蘇州大學(xué)鐘俊、江蘇大學(xué)呂曉欣、張偉和鄧久軍等首次采用可編程濕界面焦耳加熱技術(shù)，快速制備高性能亞穩(wěn)態(tài)赤鐵礦光陽極。并且，通過將燒結(jié)時(shí)間縮短到90秒，大大降低了功耗，同時(shí)減少了對摻氟氧化錫(FTO)載體的損傷。此外，研究人員還證明了所制備赤鐵礦相通過增加供體密度和加速OER動力學(xué)，有效地促進(jìn)了體電荷和表面電荷的動力學(xué)。此外，晶格OH與相鄰的Fe原子一起提供了雙活性中心，有效地阻止了傳統(tǒng)OER過程中*OOH中間體的形成，從而有效降低了OER過電位。得益于上述多種效應(yīng)的影響，在1.23 VRHE時(shí)，赤鐵礦光陽極的光電流密度達(dá)到2.12 mA cm-2，比傳統(tǒng)退火工藝制備的光陽極增加了2.5倍左右。此外，可編程的濕界面焦耳加熱可以與其它修飾很好地耦合，例如，將所制備光陽極經(jīng)過Ti處理或者負(fù)載上FeOOH助催化劑后，在1.23 VRHE下的光電流密度分別為3.05 mA cm-2和3.59 mA cm-2。值得注意的是，可編程濕界面焦耳加熱在快速制備高效TiO2和BiVO4光陽極方面同樣顯示出可行性。綜上，該項(xiàng)工作為快速合成高效金屬氧化物光陽極提供了一種簡便有效的方法，有助于促進(jìn)PEC水分解技術(shù)的發(fā)展。Programmable wet-Interfacial joule heating to rapidly synthesize metastable protohematite photoanodes: Metal and lattice oxygen dual sites for improving water oxidation. ACS Catalysis, 2024. DOI: 10.1021/acscatal.4c02690
