超薄二维纳米材料修饰赤铁矿光阳极及光解水性能和表界面研究

Hematite (α-Fe2O3), with a suitable bandgap for absorption of the solar spectrum, is ideally suited for use as a photoanode material in photoelectrochemical water splitting (PEC). However, low hole mobility, short hole lifetime, high density of surface states, and slow kinetics for oxygen evolution at the α-Fe2O3/electrolyte interface have limited the PEC performance of α-Fe2O3 photoanodes to date. This project is designed to improve the PEC performance of α-Fe2O3 photoanodes, reveal the electrode processes under light illumination and the interfacial energy levels on ultrathin two-dimensional nanomaterials or their derivatives modified α-Fe2O3 photoanodes. The modified α-Fe2O3 photoanodes will be fabricated by (photo-) electrochemical or self-assembly techniques. The interfacial properties of α-Fe2O3/electrolyte junction will be characterized by electrochemical impedance spectroscopy, intensity modulated photocurrent/photovoltage spectroscopy and surface photovoltage spectroscopy and other surface/interface analysis techniques.

赤铁矿具有适当的带隙来吸收太阳光，是光电化学水分解中理想的光阳极材料。但是，在赤铁矿/电解液界面存在空穴迁移率低、空穴寿命短、表面态密度高和氧析出动力学缓慢等问题限制了赤铁矿光阳极的光电化学水分解性能。本项目拟设计和合成超薄二维纳米材料及其衍生物，利用光/电化学沉积技术或自组装技术构建超薄二维纳米材料修饰的赤铁矿光阳极，研究其光电化学水分解性能，结合电化学阻抗谱、光强度调制光电流/电压谱和表面光电压谱等表面/界面分析技术表征赤铁矿/电解液界面的性质，揭示超薄二维纳米材料修饰与界面电荷拆分、转移及复合等电极过程及界面能级结构的关系。

氢能是一种洁净环保、可存储、可再生的二次能源。发展氢能是我国实现碳中和的重要途径，但是清洁高效的制氢技术需要突破。光电化学水分解制氢是一种全程零碳排放的绿氢制取技术，具有系统简单、效率较高、反应温度低、成本较低等优点。目前，该技术的电极材料在效率、成本和稳定性等方面还无法满足实际的需求，需要深入研究材料性质、改进方法和反应机理。赤铁矿具有适当的带隙来吸收太阳光，是光电化学水分解中理想的光阳极材料。但是，存在空穴迁移率低、空穴寿命短、表面态密度高和氧析出动力学缓慢等问题限制了赤铁矿光阳极的光电化学水分解性能。在本项目中，我们首先围绕Fe2O3开展了元素掺杂和电极稳定性研究。Ti元素掺杂以及Mg/Ti共掺杂可显著提高光电流密度，这主要得益于掺杂可以有效调控Fe2O3中载流子浓度和表面态的分布；重要的是，我们发现Fe2O3电极在强碱性溶液中工作其性能会自我提升，深入研究表明电极表面存在空穴积聚，会和电解液中的OH-反应生成具有催化活性的FeOOH薄片，这解决了Fe2O3稳定性的争议。在此基础之上，我们构筑了Ti:Fe2O3/CdSe和Ti:Fe2O3/Co-MOF光阳极，并深入研究了界面修饰及表界面性质对电极光电催化性能的影响。对于Ti:Fe2O3/CdSe光阳极，在氧化性氛围中高温退火，可以显著提高光电化学稳定性。这是由于CdSe表面形成一薄层非晶氧化层，阻止其与电解液直接接触，减缓了光电化学腐蚀的发生。二维Co-MOF薄层修饰研究表明，含钴元素MOF材料是一种可用于光电催化的有效助催化剂（而Ni-MOF和Fe-MOF相对较差），可提高光电流密度约1.6倍，起始电位负移310 mV，也具有良好的光电化学稳定性。Co-MOF修饰可以提高电极光电压，调控表面态分布，且Co-MOF本身具有较好催化活性和导电性。这些研究结果为提高光电极性能提供了新的界面调控策略，并揭示了表面薄层修饰与电极过程、能级结构等内在关系。