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通过光电催化(PEC)将太阳能直接转化为化学能(如氢能)是当前能源可持续发展和环境治理的研究热点。但PEC水分解的效率受到光电阳极表面四电子水氧化过程的严重限制。因此,研究者重点关注高活性光电阳极设计与制备。α-Fe2O3作为候选光电阳极材料,具有很高的理论光电转化效率(12.9%)和光电化学稳定性。但α-Fe2O3也存在载流子复合率高等问题。为解决上述问题,本文通过调控α-Fe2O3表面无序层结构以及原位生长助催化剂两种改性方法,实现了其PEC活性的大幅提升。
首先通过调控α-Fe2O3表面无序层结构来促进α-Fe2O3的本征光电活性。采用水热-煅烧两步法在金属钛片基底上生长α-Fe2O3纳米阵列,通过调节焙烧条件可调控纳米棒表面无序层厚度。其中,二次煅烧方法可以有效降低无序层厚度,从而减少表面态。表面态的适量减少使得α-Fe2O3内光生载流子分离能力得以提高,光电阳极导电性增强,表面的钉扎效应也得以缓解,最终使得催化剂活性显著提高。其中,当在450℃条件下进行二次煅烧后所得到的α-Fe2O3-450光电产氧活性最高。其起始电位达到了0.837Vvs.RHE;在1.23Vvs.RHE处的光电流密度为1.035mA/cm2,约为改性前的1.8倍。
然后探究了通过表面生长助催化剂的方式来提高α-Fe2O3电极的复合活性。实验探索出可以通过在α-Fe2O3表面原位磷化,生长FePi助催化剂的方式形成复合光电阳极材料,从而提高材料的复合性能。通过调整次磷酸钠的用量能够有效控制FePi的负载量。其中,当次磷酸钠用量为8mg时,起始电位最低(0.84 V vs. RHE),光电流密度最大,达到1.323mA/cm2,约为改性前的2.3倍。
首先通过调控α-Fe2O3表面无序层结构来促进α-Fe2O3的本征光电活性。采用水热-煅烧两步法在金属钛片基底上生长α-Fe2O3纳米阵列,通过调节焙烧条件可调控纳米棒表面无序层厚度。其中,二次煅烧方法可以有效降低无序层厚度,从而减少表面态。表面态的适量减少使得α-Fe2O3内光生载流子分离能力得以提高,光电阳极导电性增强,表面的钉扎效应也得以缓解,最终使得催化剂活性显著提高。其中,当在450℃条件下进行二次煅烧后所得到的α-Fe2O3-450光电产氧活性最高。其起始电位达到了0.837Vvs.RHE;在1.23Vvs.RHE处的光电流密度为1.035mA/cm2,约为改性前的1.8倍。
然后探究了通过表面生长助催化剂的方式来提高α-Fe2O3电极的复合活性。实验探索出可以通过在α-Fe2O3表面原位磷化,生长FePi助催化剂的方式形成复合光电阳极材料,从而提高材料的复合性能。通过调整次磷酸钠的用量能够有效控制FePi的负载量。其中,当次磷酸钠用量为8mg时,起始电位最低(0.84 V vs. RHE),光电流密度最大,达到1.323mA/cm2,约为改性前的2.3倍。