湖南大學黃桂芳/黃維清教授 ACS NANO——單片集成電極界面定向電荷遷移通道助力高效光輔助全解水

研究背景

光電催化（PEC）分解水制氫是解決當下能源危機和環境污染的前沿技術之一，其核心是高效穩定的光電催化劑。將光催化劑和電催化劑集成在一個電極上是提高PEC分解水制氫效率的一個有效策略，其中前者有效收集太陽光并激發載流子遷移，后者降低過電勢并為水分解反應提供活性位點。然而，該領域的重大挑戰：傳統的物理耦合難以獲得良好的光/電催化劑界面，存在各種缺陷和載流子復合中心，這必然會降低光生載流子從光催化劑擴散到電催化劑表面的效率，極大限制了其整體效率和商業化應用。

文章簡介

有鑒于此，湖南大學黃桂芳教授、黃維清教授和李波博士，在國際頂級期刊ACS Nano上發表題為“Directional Charge Transfer Channels in a Monolithically Integrated Electrode for Photoassisted Overall Water Splitting”的研究論文。該工作報道了一種界面化學鍵耦合的單片集成光電極用于高效光輔助全解水。作者基于過渡金屬氫氧化物飽和度差異，采用陰極活化電沉積法實現了碳基光催化劑CDs/CN（CCN）與FeCo雙金屬羥基氧化物/氫氧化物（FFC）的界面化學鍵耦合（圖1）。系統的實驗研究和DFT計算表明，CCN和FFC之間的C-O-Fe界面化學鍵作為電荷轉移通道，促進了光生載流子在CCN和FFC表面的定向遷移。此外，光生空穴原位氧化Fe/Co金屬物種觸發了晶格氧活化，實現了Fe-Co雙催化中心的構建，有效降低了水氧化勢壘。該催化劑在光輔助下展現出優異的分解水性能，在1?M KOH電解液中，催化HER、OER及全解水10mA cm^-2電流密度僅僅需要提供68 mV、182 mV和1.435 V過電勢。這種定向電荷調制策略有助于設計高活性和低成本的多功能催化劑用于能量轉換和存儲。

圖1.?界面電荷定向遷移的CCN@FFC電極制備機理圖。

本文亮點

亮點1：

通過陰極活化電沉積法（2?min），選擇碳基光催化劑及具有巨大飽和度差異的過渡金屬Fe/Co化合物電催化劑作為研究對象，利用化學鍵在光催化劑與電催化劑界面構建了電荷定遷移通道（C-O-Fe）。作者基于前期研究工作（Adv. Funct. Mater. 2021,?21, 2100816;?Chem. Eng. J. 2020, 397, 125470），以具有近紅外光譜激發響應的CCN光催化劑作為沉積基體，并基于其碳量子點組分表面部分羥基（-OH）化的特性，在陰極活化下使其鍵合過渡金屬基陽離子形成界面化學鍵。

亮點2：

在該集成光電極中，界面化學鍵形成了電荷定向遷移通道，實現了碳基光催化劑和過渡金屬電催化劑間的電荷定向遷移。以OER反應為例，在可見光激發下，電子及空穴分別定向遷移累積在CCN和FFC的表面，實現了電子空穴的空間分離（圖2）。時間分辨光譜、XPS、差分電荷及DFT計算等結果表明，電荷定向遷移通道的構建顯著提高了載流子壽命，累積在FFC表面的空穴可以原位氧化Fe/Co物種，觸發晶格氧催化機制，顯著降低了水氧化反應勢壘。

圖2.?界面電荷定向遷移的CCN@FFC電極OER性能表征、機制及文獻對比。

亮點3：

在該工作中，CCN@FFC光電極在1M KOH電解液中表現出優異的光輔助分解水性能。在10 mA cm^-2電流密度下，HER、OER及全解水過電勢僅為68 mV，182 mV和1.435 V，并在長時間恒定電勢運行下電流密度未發生明顯衰減，顯示出良好的穩定性。

文章信息

單片集成電極界面定向電荷遷移通道助力高效光輔助全解水

第一作者：李波

通訊作者：黃桂芳*， 黃維清*

單位：湖南大學

文章鏈接

Directional Charge Transfer Channels in a Monolithically Integrated Electrode for Photoassisted Overall Water Splitting

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09659

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通訊作者簡介

黃桂芳教授簡介：博士、教授、博士生導師。主持或主研國家自然科學基金項目、湖南省自然科學基金項目、湖南省科技計劃項目等課題十余項。已在Adv. Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B: Environ.和Electrochim?Acta?等學術雜志上發表論文100多篇；獲批國際專利一項，發明專利兩項，實用新型專利兩項，起草國家標準兩項、機械行業標準兩項。

黃維清教授簡介：博士、教授、博士生導師、岳麓學者。主持或主研國家自然科學基金項目、湖南省自然科學基金項目、湖南省科技計劃項目等課題十余項。已在Adv. Mater.,?Nano Lett.，ACS Nano，Adv. Funct. Mater.，Appl. Catal. B: Environ.，ACS Appl. Mater. Interfaces,?Phys. Rev. B，APL等雜志發表論文200余篇，SCI引用6000余次，H 因子 41。主要研究方向為計算凝聚態物理、清潔能源材料物理及器件、?微納結構光電功能材料物理及清潔能源和綠色環境材料。主持或主研國家自然科學基金項目、湖南省自然科學基金項目、湖南省科技計劃項目等課題十余項。

本文由作者供稿