光電化學(xué)(PEC)水分解技術(shù)被認為是將太陽能轉(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)效率可以達到16.8%，超過了實際應(yīng)用所需的10%的基準STH效率。
同時，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)時間縮短到90秒，大大降低了功耗，同時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，赤鐵礦光陽極的光電流密度達到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
