陈卓、曹传宝团队在太阳能光电催化分解水方面取得重要进展

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近日，北京理工大学材料学院陈卓、曹传宝团队与中科院高能物理所董俊才、悉尼大学赵慎龙合作，通过半导体与电催化剂相结合，运用界面工程策略设计制备了复合光阳极，并将其应用于连续水分解产氧。其优势在于：1）将传统的PEC拓展至更高的阳极电位；2）通过光促进电催化剂的本征催化活性提升，从而实现远大于传统的光电流增益。此外，通过Operando X射线吸收谱阐明OER过程中光的引入及TQ-NiFe中半导体-电催化剂的纳米界面对性能提高的潜在机制。相关研究成果发表在Nature Communications上。

图1 碳布上生长TQ-NiFe的制备流程示意图及相关表征。

        通过将电催化剂（NiFe LDHs）与半导体（TiO2-CdS/CdSe-MoS2）相结合，运用界面工程策略设计制备了生长在碳布上的复合催化剂TiO2-CdS/CdSe-MoS2-NiFe LDH（TQ-NiFe）。其中，CdS、CdSe作为光吸收剂能够扩宽光吸收范围，并且其与TiO2之间构建的梯形能带结构能够有效地促进电荷的分离及运输，而MoS2作为保护层可以进一步提高催化剂的稳定性。
        在PEC区域，TQ-NiFe作为光阳极在水分解反应中的起始电压为0.238 V vs RHE，其在0.991V vs RHE的极低电位下即可实现10 mA cm-2的光电流密度，比理论水分解电势（1.229 V vs RHE）低238 mV，并优于已报道的先进光阳极。
        在高电位电催化区域，TQ-NiFe在光照下有较低的电化学OER活化能、Tafel斜率以及较大的电化学活性面积、本征催化活性和优异的长期稳定性。由暗态转变为光照状态时，当外加偏压增大到1.65 V vs RHE，复合催化剂的电流密度将从57升至194 mA cm-2，提升了3.4倍。此外，该光电极在0.2V恒电位下所产生的电流密度（15 mAcm−2）在长达100 h的稳定性测试后仍可保持95%。
        以TQ-NiFe为研究对象，通过Operando X射线吸收光谱证实性能提升的机制分析。结果表明在光下，样品能够在较低的阳极电位下形成更多的Ni3+/4+活性物种，从而显著加速OER动力学，导致更低的Tafel斜率和活化能，进而提高了OER的催化活性，为开发水分解催化系统提供了新思路。
        综上所述，本文通过将NiFe LDHs电催化剂复合在MoS2作为保护层的CdS/CdSe量子点敏化TiO2纳米棒基底上（TQ-NiFe），构建了一个三维多成分结构。TQ-NiFe复合光电极具有优异的光电化学性能及高阳极电位区域卓越的光增强电化学OER性能。通过Operando X射线吸收光谱证实了改进的机制，为光能够在较低的阳极电位下形成更多的Ni3+/4+活性种，从而显著加速OER动力学，导致更低的Tafel斜率和活化能。这些发现为开发水分解催化系统提供了一条新思路。
        原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38285-z
        文章来源：北京理工大学
        曹传宝，男，1963年出生于安徽怀宁。1998年提升为教授，2000年聘为博导。2000年开始任北京理工大学材料科学研究中心主任，2002年开始担任材料学院副院长。2004年入选新世纪人才。主持和参与过多项国家级项目，包括国家自然科学基金项目，国家重大基础研究项目（973），国家高技术研究项目（863），863重点项目，北京市科委重点项目，高校博士点基金，总装预演基金等。在先进材料（AdvancedMaterials）,先进功能材料（AdvancedFunctionalMaterials）,生物材料（Biomaterials）,材料化学（ChemistryofMaterials）,化学通讯（Chem.Comm.），材料化学杂志（J.Mater.Chem.）,物理化学杂志（J.Phy.Chem.）,晶体生长与设计(CrystalGrowth&Design),应用物理快报（App.Phy.Lett）,物理评论（Phy.Rev.B）等国际期刊上发表SCI收录论文180多篇，被他人引用1600多次。影响因子大于3的论文40多篇。
        陈卓，北京理工大学博士生导师。2004年，毕业于昆明理工大学有色金属专业，获硕士学位；2008年，毕业于北京理工大学应用化学专业，获博士学位；2007年至2009年，于香港理工大学电子工程专业做研究助理；2012年，到加拿大麦吉尔大学做访问学者。主要从事以能源为导向的低维半导体材料可控制备及性能研究。