铁镍基氧化物纳米光阳极微观调控及电荷转移机理研究

The preparation of α-Fe2O3 photoanode with electrodeposition has attracted widespread attention, due to the lower cost, easy popularization, more efficient. However, the improvement of electrochemical performance is largely limited by the intrinsic characteristics of α-Fe2O3. This study attempts to prepare advanced photoanode materials with higher photoelectrochemical performance from electrodeposition. On the one hand, the addition of nickel-based oxygen evolution cocatalysts is an effective strategy to decrease the barrier of charge transfer and improve the kinetics of oxygen evolution. The interface electric field can also benefit the separation efficiency of photogenerated carriers. On the other hand, the carbon materials can improve the conductivity of semiconductor and enhance light absorption. While, the study of morphology-control and charge transfer process for the photoanode prepared from electrodeposition is not sufficient. This study aims to systematically study the reaction mechanism with the micro-regulation for the morphology and crystalline structure, and enhance the photoelectrochemical activity with the addition of carbon quantum dots. And then give a more comprehensive understanding of structure-activity relationship for the photoanode materials prepared from electrodeposition with the study of electronic structure via in-situ characterization. Besides, it can lay a good foundation for the further adjustment of material growth and the study of carbon-modified photoanode.

电化学沉积制备α-Fe2O3 光阳极的方法具有低成本、易推广和更高效的特点，引起了人们的广泛关注。由于α-Fe2O3本身的限制，其光电转化性能的提升遇到了瓶颈，本项目研究电化学沉积制备具有更高光电转化活性的光阳极材料。一方面引入镍基析氧助催化剂以降低电荷转移势垒，促进析氧反应动力学，利用界面电场促进光生载流子的分离效率；另一方面引入碳材料提升半导体材料的导电性（即载流子传输能力）和吸光能力。目前的研究中，对于材料的形貌控制、电子转移机理方面的研究还不是很充分。本项目实施过程中首先在电化学阴极沉积过程中对铁镍氧化物进行形貌和结构的微观调控，同时通过碳量子点的引入进一步提升光阳极的性能。并且利用原位电子结构表征对此类光阳极反应过程中电子传输机理进行系统地研究，更为全面的理解电沉积制备光阳极材料的构效关系，为进一步调控此类材料的生长及碳修饰光阳极的研究打下良好的基础。

α-Fe2O3由于其带隙窄、光电化学稳定性好、价廉无污染等优点是光电化学分解水中最具潜力的光阳极材料之一，但由于其光生载流子的寿命短，少子迀移率低，电导率差等原因，其电流密度与理论值还有一定的差距。本项目围绕提升氧化铁光电化学转化活性进行了系统深入的研究，开发环境友好型的制备方法，对氧化铁形貌和微观结构进行有效调控，通过能带工程与结构设计等协同策略提高催化剂的电荷分离效率，进一步提升其光电转化性能。具体通过以下三个方面进行研究：1. 系统研究氧化铁材料的合成、退火条件与性能之间的关系，同时对比了（阳极、阴极）电沉积法与水热合成方法在制备氧化铁材料方面的差异及对光电转化活性的影响，通过改变退货条件光阳极的电流密度最高可达到1.31 mA cm-2；2. 通过元素掺杂（Ti，Mo等）及构建异质结等手段对氧化铁光阳极的表面态、导电性及能带等方面进行改性，以提升光阳极材料的载流子传输性能及促进载流子分离效率，Co-MOF材料修饰的氧化铁光阳极的电流密度最高达到1.78 mA cm-2；3. 通过将氧化铁与其他析氧助催化剂（CoPi，NiOOH，COOOH等）进行结合，以提升氧化铁表面进行水氧化反应的动力学过程，以进一步提升其光电转化活性。在本项目的资助下，在Chem. Eng. J., J. Hazard. Mater., Nano-Micro Letters, Electrochimica Acta, Appl. Catal. B等国际主流期刊发表SCI论文25篇，授权专利6篇，其研究成果为氧化铁等半导体材料高效载流子分离、迁移及光电化学转化性能研究方面提供了大量的实验依据和理论指导。总之，本项目已超额完成了计划书上规定的任务，达到了预定的研究目标。