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何志浩课题组：定量氧产量在光电化学水分解中的重要性

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2019-11-25 07:00

正文

▲第一作者：M. A. Khan, Purushothaman Varadhan；通讯作者：何志浩 (Jr-Hau He)教授, Hicham Idriss博士

通讯单位：香港城市大学,阿卜杜拉国王科技大学及SABIC 公司

论文DOI：10.1021/acsenergylett.9b02151

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基于目前光电化学水分解测试稳定性评价存在不严谨的问题，该文用详细的实验数据证明了阳极光腐蚀对阴极产氢的贡献，比较了定量阳极产氧量和阴极产氢量去评价光电化学系统稳定性的显著差别。该文提出今后在进行光电化学水分解研究时，应同时检测阳极产物 O ₂ 和阴极产物 H ₂ 的量，并用于评价光电化学系统的稳定性。

背景介绍

自 Honda-Fujishima 在 1970 年代提出 n- 型 Ti O ₂ 可用于光电化学 (photoelectrochemical: PEC) 氧化水产氧以来，光电化学分解水作为一种利用太阳能产氢并使其商业化很有前景的方法就备受关注研究。为此，很多基于 Si 和其他 Ⅲ-Ⅴ 族的半导体被开发出来并用于光电化学分解水的研究。目前，虽然报道从太阳能到氢 (solar to hydrogen: STH) 的转换效率已经超过 10 % 。但是由于光电化学反应在强酸或者强碱电解质中进行，基本上所有的非氧化物的半导体，像是 Si, Ge, GaAs, InGaN, 与 GaP 等都会发生光腐蚀。因此，提高光电极的稳定性已经成为光电化学分解水的一个非常重要的研究方向。

值得一提的是，大多数的报道在提及光电极的的稳定性时，通常用定量阴极的产氢量或者监测光电流的密度作为判断依据。由于光阳极在工作条件下产生的光腐蚀电流也会对电流密度和产氢有贡献，仅仅依靠定量产氢或者监测电流密度来判断光电极的稳定性是不准确的，因此需要更为严谨可靠的评价体系。

研究出发点

香港城市大学何志浩 (Jr-Hau He) 教授与过去在沙特阿卜杜拉国王科技大学课题组以及 SABIC 公司的 Hicham Idriss 博士受邀在 ACS Energy Lett 发表观点文章( Viewpoint) ，该观点文章提出在进行光电化学分解水时应该用更为严谨的同时定量产氧和产氢的方法去评价光电极的稳定性（图1）。研究人员发现，用无保护层的 3J 光阳极进行光电化学分解水时，即使光电流密度和阴极产生的 H ₂ 量稳定，但阴极产生的 H ₂ 和阳极产生的 O ₂ 摩尔比并不是严格的 2:1（图 2 ）。这是由于光阳极腐蚀严重，腐蚀产生的电流对阴极贡献比较大，阳极实际产生的氧气显著少于通过光电流密度或者 H ₂ 量计算得到的值。

同时，为了比较，研究人员也用 Ti 保护的 3 J 光阳极进行测试，得到的结果是，在长时间内，光电流密度稳定，阳极和阴极产生的 O ₂ 和 H ₂ 的摩尔比严格限制在 2:1 左右（图 3 ）。这表明保护层的存在，光阳极基本不发生光腐蚀，光阳极在测试条件下能稳定工作。通过两者的比较，研究人提出测量阳极产生的 O ₂ 对评价光电化学系统稳定性有重要的意义。

图文解析

▲图 1. (a) InGaP/InGaAs/Ge 3J 光阳极电池用于 PEC 水分解示意图 . (b) 在空气气氛中一个太阳 AM 1.5G 照射下的 InGaP/InGaAs/Ge 3J 光伏电池的 J−V 曲线。

▲ 图 2. (a) 电解质溶液为 1.0 M Na ₂ SO ₄ (pH ≈ 7) ，在一个太阳 AM 1.5G 照射下，用三电极测试体系，负载 Pt 催化剂并且没有保护层的 3J 光阳极的循环伏安曲线。 (b) 在一个太阳 AM 1.5G 照射下，电解质为 1.0 M Na ₂ SO ₄ (pH ≈ 7) ，相对于可逆氢电极 0.61V 时光电化学系统的计时电流图，图中左边纵轴是光电流密度，右边纵轴是反应进行时的 H ₂ 体积速率。 (c) 图中左边纵轴是计时电流测试时的 O ₂ 体积速率,图中右边纵轴给出的是反应产生的 H ₂ /O ₂ 摩尔比。

▲ 图 3. (a) 电解质溶液为 1.0 M Na ₂ SO ₄ (pH ≈ 7) ，在一个太阳 AM 1.5G 照射下，用三电极测试体系，负载 Pt 催化剂有 Ti 保护层的 3J 光阳极的循环伏安曲线。 (b) 在一个 AM 1.5G 照射下，电解质为 1.0 M Na ₂ SO ₄ (pH ≈ 7), 相对于可逆氢电极 0.61V 时光电化学系统的计时电流图，图中左边纵轴是光电流密度，右边纵轴是反应进行时的 H ₂ 体积速率。 (c) 图中左边纵轴是计时电流测试时的 O ₂ 体积速率,图中右边纵轴给出的是反应产生的 H ₂ /O ₂ 摩尔比。

总结与展望

在研究光电化学水分解时，光阳极腐蚀产生的电流对工作体系的贡献不容忽视。显然，在研究光电化学测试体系稳定性时，光电流密度或者定量的 H ₂ 数据只能用于初步的评估，不能用于得出最终结论。基于此，本文作者提出定量阳极产氧量的重要性。这项工作为今后的研究人员，审稿人和编辑在评价光电化学水分解体系时提供了一个更为严谨科学的方法。

课题组介绍

何志浩 (Jr-Hau He) 教授，其研究领域是神經形態工程在網路安全與深度学习 (Neuromorphic engineering for cybersecurity and deep learning) ，與光电器件的光管理，包括光侦测器与太阳能电池，光电解水电池。这几年基于过去的基础瞄准材料学、电子学、信息学、物理与化学等学科的交叉领域，研究兴趣延伸至纳米能源材料与器件、自供电系统、纸印刷电子学，可挠式 / 透明电子组件等基础与应用研究。

除了科学研究之外，何志浩教授对技术工业化相当重视，积极参与产学合作、持续技术转移给工业界。基于上述学术贡献和前沿研究经验，积极开展科研项目。他是美国光学学会 (OSA), 国际光学工程学会 (SPIE) 与皇家化学学会 (RSC) 会士。目前也是 IEEE Electron Devices Society 與 Nanotechnology council 杰出讲师 (Distinguished Lecturer) 。

何志浩 (Jr-Hau He) 教授课题组在 Department of Materials Science and Engineering, City University of Hong Kong (CityU) 拟招收博士生若干名。

要求如下：

一、主要研究方向

1. 光电催化 (Photoelectrochemical hydrogen generation and CO2 reduction)

2. 忆阻神经元器件 (Memristor Synapses for Neuromorphic Computing)

二、在满足 CityU 基本入学条件的基础上，满足以下所以条件者优先考虑

1. 985 本科，有碩士為佳；

2. 具有化学、物理及材料相关背景，丰富物理器件制备的研究背景者；

3. 具有独立思考问题和科研能力，同时具有团队协作精神；

4. 托福 79 分以上或者雅思 6.5 （ Cityu 要求），具有优异的英语书面和口头表达能力。

Hong Kong PhD Fellowship Scheme (HKPFS)

请参阅以下网址 / 文件

https://www.cityu.edu.hk/pg/hong-kong-phd-fellowship-scheme

PhD programme of MSE

请参阅以下网址 / 文件

http://www.cityu.edu.hk/catalogue/pg/201819/programme/MSE2_P.htm

Information regarding applications can be found on the homepage of the Chow Yei Ching School of Graduate Studies (http://www.sgs.cityu.edu.hk/prospective/apply/procedures).

满足要求者请直接网上同时申请上面两项奖学金。敬请关注具体的申请和截止日期。申请完成以后，可以转发申请号 / 申请成功邮件，并附简历到何志浩老师邮箱 （ [email protected] ）

申请获得成功者即可加盟何志浩教授课题组。

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何志浩课题组：定量氧产量在光电化学水分解中的重要性

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