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光电催化水分解器件构建新策略

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光电催化(PhotoelectrochemicalPEC)分解水产生氢气和氧气是将太阳能转化为化学燃料最理想的技术途径之一。目前,如何构建高效稳定光活性电极引起了研究者们的广泛关注

光阳极表面析氧反应(OER)涉及复杂的四电子四质子转移过程,其动力学过程非常缓慢,因此需要高活性的水氧化催化剂提高太阳能光电分解水活性。近年来,光电催化水氧化反应的光阳极多采用基于过渡金属氧化物、氢氧化物作为催化剂,超分子配合物作为催化剂用于水氧化反应鲜见报道。

 

近日,精细化工国家重点实验室孙立成院士、李福胜副研究员等人在该领域取得重要进展。该工作通过Co2+阳离子与Cucurbit[5]uril(葫芦[5], CB[5])自组装制备了主客体配合物(Co@CB[5]),采用溶液浸泡方式将该超分子配合物催化剂吸附多孔钒酸铋(BiVO4)半导体电极表面构建的Co@CB[5]/BiVO4光阳极在100 mW cm-2 (AM 1.5)光照下,1.23 V(相对RHE)偏压下的光电流密度可以达到4.8 mA cm-2,可以与基于无机材料催化剂的BiVO4阳极媲美Co@CB[5]主客体超分子配合物光电催化水氧化中表现出优异的性能,为水氧化催化剂的设计及光阳极器件的构建开辟了新的思路(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2–12)

尽管近年来,光电催化分解水制氢取得了一定进展,然而相对于光阳极而言,目前大多数光阴极材料仍存在价格昂贵、光腐蚀严重、毒性高等问题,因此急需开发出新型廉价、稳定、高效的光阴极材料来解决上述难题。另外,解决如何加速光生载流子分离及转移,减少载流子复合这一科学问题,是获得高效光电催化光阴极的前提之一。

 

李福胜副研究员等人通过对硒化锑(Sb2Se3)窄带隙半导体进行精准的界面修饰实现高效光电催化分解水制氢光阴极的制备和机理研究。该工作采用近空间升华制备Sb2Se3纳米棒p型半导体阵列在其表面引入n半导体In2S3缓冲层构建异质结结构,通过使用非贵金属MoSX析氢催化剂进行表面改性促进析氢反应的进行。构建的Sb2Se3/In2S3/MoSX异质结光阴极在100 mW cm-2 (AM 1.5)光照条件,获得约-27 mA cm-2 (0 V相对RHE)的光电流和2.6%-氢转化效率。强度调制光电流谱(IMPS)等结果表Sb2Se3/In2S3异质结能有效加速载流子分离/转移,同时抑制其表面载流子复合(J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 23385–23394)

该系列研究工作得到了国家自然科学基金委和大连理工大学的资助支持。

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