黑磷烯基异质结光电极的制备及其光电催化分解水性能和机理研究

The development of photoelectrochemical (PEC) water splitting is of great significance for the address of energy shortage and environmental pollution. The aim of this project is to improve the PEC water splitting efficiency and stability of black phosphorus by constructing black phosphorus-based heterostructured photoelectrodes. The main investigation is as follows: (1) to develop an effective method for the construction of black phosphorus-based heterostructured photoelectrodes via combining with transition metal oxide photoelectrocatalysts. (2) to investigate the relationships between the construction and structure optimization of the black phosphorus-based heterostructured photoelectrodes with their activity and stability of PEC water splitting. (3) to explore the PEC water splitting mechanism of black phosphorus-based heterostructured photoelectrodes. The research results of this project will provide new ideas for the development of new-typed photoelectrocatalysts.

发展太阳能光电催化分解水制氢技术对于解决目前的能源短缺和环境污染有着重要的科学意义。本项目以制备高效稳定的黑磷烯光电催化分解水制氢材料为研究目标，围绕其异质结光电极的设计合成及其工作机理展开探索和研究。主要实现：(1)通过与过渡金属氧化物光电催化剂相匹配实现黑磷烯基异质结光电极的有效制备；(2)深入系统地研究异质结形成、结构优化与黑磷烯基异质结光电极光电催化活性和稳定性之间的构效关系；(3)阐明黑磷烯基光电极的工作机理。该项目的研究将为更好的推动新型太阳能光电催化分解水材料的开发和利用提供实验基础和理论依据。

本项目围绕高效稳定黑磷烯基异质结光电极光电催化分解水体系的构建及其工作机理的阐明展开研究，重点探究了块体黑磷的合成及剥离、高性能氧化铁光电催化剂的筛选以及氧化铁/黑磷烯异质结光电极的制备。主要包含以下工作：(1) 利用元素掺杂、异质结构筑以及表面修饰等手段对氧化铁光电催化剂进行了修饰与改性处理，实现了对其形貌、组成及结构的调控，从而达到显著提升氧化铁光电催化性能的目的。(2) 将剥离制备的黑磷烯纳米片与筛选出的高性能钛酸铁/氧化铁光电催化剂相复合，通过两者能级结构的匹配实现高效黑磷烯基异质结光电极的构建，其1.23 V vs. RHE外加偏压处的光电流密度达到了3.81 mA/cm2，并通过FeNiOOH助催化剂的负载显著改善了异质结光电极的光电催化稳定性（长达7小时照射无明显衰减）。(3) 综合利用同步辐射X射线吸收谱学以及常规表征手段对所制备光电极的活性位点结构和光生电荷动力学行为进行了探究，实现了其构-效关系及工作机理的明确阐明。该项目的研究成果为高性能新型二维纳米光电催化剂的设计和制备提供了科学的指导。