MOFs衍生的二氧化钛促进Ti-Fe2O3光阳极高效光电化学水氧化的多重效应

光电化学(PEC)分解水是一种清洁可持续的获取氢燃料的方法,其中产氧半反应(OER)是制约整个水分解过程效率的关键步骤.因此,光阳极的性能是决定太阳能到氢能转化效率的关键因素.在各种水氧化光阳极材料中,赤铁矿(α-Fe2O3)因具有良好的化学稳定性、合适的带隙(～2.1 eV)、无毒、储量丰富等优点而成为最有前途的光阳极材料之一.然而,α-Fe2O3丰富的受体表面态和缓慢的水氧化动力学导致光生电荷复合严重,限制了其在光电化学中的实际应用.因此,有必要对α-Fe2O3进行表面工程设计以提高水氧化效率. 本文提出了一种新方法,以金属有机框架(Ti-MOFs)为模板,在Ti-Fe2O3表面煅烧合成T...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in催化学报 Vol. 61; no. 6; pp. 179 - 191
Main Authors 巴凯凯, 刘禹男, 张凯, 王平, 林艳红, 王德军, 李子亨, 谢腾峰
Format Journal Article
LanguageChinese
Published 吉林大学化学学院,吉林长春 130012%吉林师范大学化学学院,教育部环保材料制备与应用重点实验室,吉林长春 130103%吉林大学物理学院,先进电池物理与技术重点实验室,吉林长春 130012 2024
Subjects
水氧化
Multiple effects
Ti-Fe2O3 photoanode
Porous TiO2
Water oxidation
Ti-Fe2O3光阳极
Charge separation
电荷分离
多孔TiO2
多重效应
Online AccessGet full text
ISSN0253-9837
DOI10.1016/S1872-2067(24)60005-7

Cover

More Information
Summary:光电化学(PEC)分解水是一种清洁可持续的获取氢燃料的方法,其中产氧半反应(OER)是制约整个水分解过程效率的关键步骤.因此,光阳极的性能是决定太阳能到氢能转化效率的关键因素.在各种水氧化光阳极材料中,赤铁矿(α-Fe2O3)因具有良好的化学稳定性、合适的带隙(～2.1 eV)、无毒、储量丰富等优点而成为最有前途的光阳极材料之一.然而,α-Fe2O3丰富的受体表面态和缓慢的水氧化动力学导致光生电荷复合严重,限制了其在光电化学中的实际应用.因此,有必要对α-Fe2O3进行表面工程设计以提高水氧化效率. 本文提出了一种新方法,以金属有机框架(Ti-MOFs)为模板,在Ti-Fe2O3表面煅烧合成TiO2层,然后将富活性位点的ZIF-67加载在TiO2/Ti-Fe2O3上作为助催化剂,制备出具有较好光电化学性能的ZIF-67/TiO2/Ti-Fe2O3复合光阳极.X射线衍射、高分辨透射电镜、X射线光电子能谱和拉曼光谱等表征结果证实成功合成了ZIF-67/TiO2/Ti-Fe2O3.同时,氮气等温吸附脱附曲线和表面接触角测试结果表明,MOFs衍生的TiO2为介孔材料.采用表面光伏技术、光致发光光谱、飞秒-瞬态吸收光谱和电化学阻抗谱分析,研究了光生电荷的分离和复合行为.结果表明,MOFs衍生的TiO2不仅可以作为钝化层有效抑制了表面复合,还作为Ti-Fe2O3的电子阻挡层,显著减少了电子向表面的流失,从而大大提高了Ti-Fe2O3表面和体相的电荷分离效率.进一步的累积电荷量测试、电化学阻抗谱和Bode图分析显示,负载MOFs衍生TiO2后,可以明显促进光生空穴向电解质的注入,其多孔结构也可以增加反应接触面积,这有利于光生电荷在固液界面传输.此外,理论计算结果表明,Ti-Fe2O3水氧化速控步骤的能垒(△G=3.38 eV)明显高于TiO2(△G=1.67 eV),说明OER更容易在TiO2/Ti-Fe2O3表面发生,这与其光电流密度结果一致.为进一步提高反应活性和加快水氧化动力学,负载助催化剂ZIF-67后,ZIF-67/TiO2/Ti-Fe2O3复合光阳极实现了较好的光电化学性能,其在1.23 V vs.RHE时光电流密度高达4.04 mA cm-2,是Ti-Fe2O3的9.3倍,并且复合光阳极的入射光子电流转换效率和空穴注入效率分别达到93％(390 nm)和91％. 综上所述,本研究通过MOFs衍生的TiO2和ZIF
ISSN:0253-9837
DOI:10.1016/S1872-2067(24)60005-7