江苏大学/苏大ACS Catal.: 可编程湿界面焦耳热合成亚稳态赤铁矿，有效改善水氧化活性

催化开天地 · 公众号 · · 2024-08-09 08:30

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光电化学(PEC)水分解技术被认为是将太阳能转化为可再生氢燃料的一种潜在的环境友好途径。在各种光电极中，金属氧化物阳极以其带隙可调、化学稳定性好和成本低等优点得到了广泛的研究。以赤铁矿(α-Fe ₂ O ₃ )为例，其合适的带隙(2.0-2.2 eV)可以有效地收集可见光。相应地，理论上的太阳能-氢气转换(STH)效率可以达到16.8%，超过了实际应用所需的10%的基准STH效率。

同时，α-Fe ₂ O ₃ 在碱性电解质中极其稳定，是最有前途的光电阳极之一。然而，α-Fe ₂ O ₃ 光阳极仍然存在严重的电荷重组、低载流子密度和缓慢的析氧反应(OER)动力学等问题。获得高性能的α-Fe ₂ O ₃ 光阳极仍然是一个巨大的挑战。

近日， 苏州大学钟俊 、 江苏大学吕晓欣 、张伟和 邓久军 等首次采用可编程湿界面焦耳加热技术，快速制备高性能亚稳态赤铁矿光阳极。并且，通过将烧结时间缩短到90秒，大大降低了功耗，同时减少了对掺氟氧化锡(FTO)载体的损伤。此外，研究人员还证明了所制备赤铁矿相通过增加供体密度和加速OER动力学，有效地促进了体电荷和表面电荷的动力学。此外，晶格OH与相邻的Fe原子一起提供了双活性中心，有效地阻止了传统OER过程中*OOH中间体的形成，从而有效降低了OER过电位。

得益于上述多种效应的影响，在1.23 V _RHE 时，赤铁矿光阳极的光电流密度达到2.12 mA cm ^-2 ，比传统退火工艺制备的光阳极增加了2.5倍左右。此外，可编程的湿界面焦耳加热可以与其它修饰很好地耦合，例如，将所制备光阳极经过Ti处理或者负载上FeOOH助催化剂后，在1.23 V _RHE 下的光电流密度分别为3.05 mA cm ^-2 和3.59 mA cm ^-2 。

值得注意的是，可编程湿界面焦耳加热在快速制备高效TiO ₂ 和BiVO ₄ 光阳极方面同样显示出可行性。综上，该项工作为快速合成高效金属氧化物光阳极提供了一种简便有效的方法，有助于促进PEC水分解技术的发展。