可见光响应光阳极基底-电极和电极-溶液界面修饰及电荷传输机理

The recombination of charge carriers at interfaces is the most important factor limiting the efficiency of photoelectrochemical water splitting. Inspired from the device structure of solar cells with multi interfacial function layers, this project will integrate interface functional layers at the electrode-substrate and electrode-electrolyte interfaces of a photoanode to promote the charge separation and transfer processes, accelerate the surface reaction and improve the stability of the electrode. Electron-transport and hole-blocking layers will be introduced at the substrate interface, and hole-transport, hole-storage, electron-blocking layers and water oxidation catalyst will be deposited on the surface. Via researching the interfaces of substrate-electrode and electrode-electrolyte etc., the mechanisms of interfacial charge transfer during photoelectrochemical water splitting and the roles of functional layers will be revealed. Stable and efficient photoelectrochemical water splitting should be realized by the rational design and construction of integrated photoanodes.

载流子在电极界面处严重的复合是限制光电催化分解水效率的主要因素。本课题借鉴太阳能电池多层界面功能层的器件结构，对可见光响应光阳极的基底-电极、电极-溶液界面进行功能层的组装，促进载流子的分离和传输，提高电极活性和稳定性。拟在光阳极基底界面引入电子传导层和空穴阻挡层，在表面引入空穴传导层、空穴储存层、电子阻挡层和放氧催化剂，并对基底-电极、电极-溶液等多个界面进行研究，探讨光电催化氧化水中界面电荷传输机理和功能层的作用，通过合理地构筑复合的光阳极体系，有望实现高效、稳定的光电催化分解水。

光电催化分解水是太阳能制氢的重要方式。在光电催化系统中，光生载流子在到达电极表面发生反应之前必须克服多种复合过程，包括电极-溶液界面复合，体相和基底界面的复合等。载流子在电极界面处严重的复合是限制光电催化分解水效率的主要因素。本项目借鉴太阳能电池多层界面功能层的器件结构，围绕可见光响应光阳极的电极-溶液界面进行功能层的组装，以促进载流子的分离和传输，提高电极活性和稳定性。通过在光阳极表面引入空穴储存层、界面电荷传递层、表面助催化剂等，大幅提高了电极活性和稳定性，并揭示了光电催化氧化水中界面电荷传输机理和功能层的作用。通过合理地构筑复合的光阳极体系，实现了高效、稳定的光电催化分解水。. 通过模拟自然光合系统PSII关键功能，以BiVO4光阳极为吸光材料，引入层状NiFe氢氧化物（LDH）和部分氧化的石墨烯（pGO）界面层，并担载Co分子作为水氧化催化剂，构建了仿生的光阳极系统。该复合光阳极表现出超低的起始电位(0.17 V)和较高的光电流密度（1.23 V vs. RHE电位下4.45 mA cm-2），太阳能至氢能转化效率（STH）高达2%，连续光电催化反应10 h后并未观测到明显衰减。研究发现，LDH界面层主要扮演空穴储存层作用，促进电荷分离并抑制BiVO4电极光腐蚀；Co分子催化剂可显著促进表面水氧化反应动力学，降低过电位。更重要的是，pGO可显著促进LDH/BiVO4和分子催化剂之间的单向电荷传输，具有仿酪氨酸电荷传递体的功能。通过KPFM-SPV光谱测试结果可以发现该体系展示了优异的电荷分离能力。利用仿生策略和表界面修饰策略构建人工光合系统为高效光阳极系统的构建指明新方向。相关成果备受关注，受邀发表综述文章，系统讨论了助催化剂、电解液和界面功能层修饰的重要作用。. 此外，为了进一步拓展本项目光电催化人工光合研究，本项目通过原位电沉积制备了纳米In晶催化剂用于二氧化碳还原，实现二氧化碳向CO的高效选择性转化。该催化剂在光电催化人工光合成领域具有较大应用潜力。