湖南大学黄桂芳/黄维清教授 ACS NANO——单片集成电极界面定向电荷迁移通道助力高效光辅助全解水

研究背景

光电催化（PEC）分解水制氢是解决当下能源危机和环境污染的前沿技术之一，其核心是高效稳定的光电催化剂。将光催化剂和电催化剂集成在一个电极上是提高PEC分解水制氢效率的一个有效策略，其中前者有效收集太阳光并激发载流子迁移，后者降低过电势并为水分解反应提供活性位点。然而，该领域的重大挑战：传统的物理耦合难以获得良好的光/电催化剂界面，存在各种缺陷和载流子复合中心，这必然会降低光生载流子从光催化剂扩散到电催化剂表面的效率，极大限制了其整体效率和商业化应用。

文章简介

有鉴于此，湖南大学黄桂芳教授、黄维清教授和李波博士，在国际顶级期刊ACS Nano上发表题为“Directional Charge Transfer Channels in a Monolithically Integrated Electrode for Photoassisted Overall Water Splitting”的研究论文。该工作报道了一种界面化学键耦合的单片集成光电极用于高效光辅助全解水。作者基于过渡金属氢氧化物饱和度差异，采用阴极活化电沉积法实现了碳基光催化剂CDs/CN（CCN）与FeCo双金属羟基氧化物/氢氧化物（FFC）的界面化学键耦合（图1）。系统的实验研究和DFT计算表明，CCN和FFC之间的C-O-Fe界面化学键作为电荷转移通道，促进了光生载流子在CCN和FFC表面的定向迁移。此外，光生空穴原位氧化Fe/Co金属物种触发了晶格氧活化，实现了Fe-Co双催化中心的构建，有效降低了水氧化势垒。该催化剂在光辅助下展现出优异的分解水性能，在1 M KOH电解液中，催化HER、OER及全解水10mA cm^-2电流密度仅仅需要提供68 mV、182 mV和1.435 V过电势。这种定向电荷调制策略有助于设计高活性和低成本的多功能催化剂用于能量转换和存储。

图1.界面电荷定向迁移的CCN@FFC电极制备机理图。

本文亮点

亮点1：

通过阴极活化电沉积法（2 min），选择碳基光催化剂及具有巨大饱和度差异的过渡金属Fe/Co化合物电催化剂作为研究对象，利用化学键在光催化剂与电催化剂界面构建了电荷定迁移通道（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），以具有近红外光谱激发响应的CCN光催化剂作为沉积基体，并基于其碳量子点组分表面部分羟基（-OH）化的特性，在阴极活化下使其键合过渡金属基阳离子形成界面化学键。

亮点2：

在该集成光电极中，界面化学键形成了电荷定向迁移通道，实现了碳基光催化剂和过渡金属电催化剂间的电荷定向迁移。以OER反应为例，在可见光激发下，电子及空穴分别定向迁移累积在CCN和FFC的表面，实现了电子空穴的空间分离（图2）。时间分辨光谱、XPS、差分电荷及DFT计算等结果表明，电荷定向迁移通道的构建显著提高了载流子寿命，累积在FFC表面的空穴可以原位氧化Fe/Co物种，触发晶格氧催化机制，显著降低了水氧化反应势垒。

图2.界面电荷定向迁移的CCN@FFC电极OER性能表征、机制及文献对比。

亮点3：

在该工作中，CCN@FFC光电极在1M KOH电解液中表现出优异的光辅助分解水性能。在10 mA cm^-2电流密度下，HER、OER及全解水过电势仅为68 mV，182 mV和1.435 V，并在长时间恒定电势运行下电流密度未发生明显衰减，显示出良好的稳定性。

文章信息

单片集成电极界面定向电荷迁移通道助力高效光辅助全解水

第一作者：李波

通讯作者：黄桂芳*， 黄维清*

单位：湖南大学

文章链接

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

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

通讯作者简介

黄桂芳教授简介：博士、教授、博士生导师。主持或主研国家自然科学基金项目、湖南省自然科学基金项目、湖南省滚球体育 计划项目等课题十余项。已在Adv. Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B: Environ.和Electrochim Acta 等学术杂志上发表论文100多篇；获批国际专利一项，发明专利两项，实用新型专利两项，起草国家标准两项、机械行业标准两项。

黄维清教授简介：博士、教授、博士生导师、岳麓学者。主持或主研国家自然科学基金项目、湖南省自然科学基金项目、湖南省滚球体育 计划项目等课题十余项。已在Adv. Mater., Nano Lett.，ACS Nano，Adv. Funct. Mater.，Appl. Catal. B: Environ.，ACS Appl. Mater. Interfaces, Phys. Rev. B，APL等杂志发表论文200余篇，SCI引用6000余次，H 因子 41。主要研究方向为计算凝聚态物理、清洁能源材料物理及器件、 微纳结构光电功能材料物理及清洁能源和绿色环境材料。主持或主研国家自然科学基金项目、湖南省自然科学基金项目、湖南省滚球体育 计划项目等课题十余项。

本文由作者供稿