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人工光合作用制氢是从根本上解决能源危机和环境污染的理想途径之一。然而人工光合金属氧化物电极在水溶液环境中极其不稳定，易发生还原反应从而使电极材料腐蚀，引起性能衰退。如何稳定电极表面并且同时保持电极对水分解的催化活性是研究的关键问题。德国柏林亥姆霍兹材料和能源研究中心的Fatwa F. Abdi教授课题组对人工光合系统中的金属氧化物光电极进行氢气氛围处理，能够有效地改善电极的光解水催化活性，为高效产氢提供了重要的新路径。研究人员首先利用喷雾热解方法制备了钒酸铋（BiVO4）电极薄膜，随后将制备BiVO4薄膜分别置于空气、氢气氛围的管式炉中进行300℃、10分钟退火处理。X射线表征显示，氢气氛围下退火处理BiVO4薄膜与空气氛围处理的薄膜具备一样的晶体结构，均为纯相的单斜晶系，即氢气氛围处理不会改变材料结构。通过计算进一步发现，氢处理后的BiVO4薄膜电子空穴分离效率得到显著改善，同时电子的寿命得到延长。研究人员指出，电子寿命的延长归因于氢处理能够有效地钝化/减少薄膜中的深电子陷阱态数量（这些陷阱是电子的复合中心）。由于其载流子寿命延长，氢处理的BiVO4光电化学性能显著提高：光电流25%，起始电位向阴极偏移约100mV。为了进一步确认上述的改善确实是由氢处理导致，研究人员对氢处理的BiVO4薄膜进行核磁共振氮谱解析，结果显示氢处理的BiVO4晶格中存氢的含量为0.7at%（at为原子数百分比）。而掺入的氢与氧原子形成氢氧键使BiVO4的晶格发生扭曲，导致Bi3+-VO43-外部振动峰的轻微偏移，但这种形变不影响空穴极化子的形成，即陷阱态在能量上位于比空穴极化状态更深的位置。该项研究通过对金属氧化物氢化处理显著减少/钝化电极的缺陷态，改善了电极的催化性能，为开发高效廉价的金属氧化物人工光合系统电极材料提供了新策略和设计思路。相关研究成果发表在《Advanced Energy Materials》[1]。
[1]Ji-Wook Jang, Dennis Friedrich, Sönke Müller, et al. Enhancing Charge Carrier Lifetime in Metal Oxide Photoelectrodes through Mild Hydrogen Treatment. Advanced Energy Materials, 2017, 1701536, DOI: 10.1002/aenm.201701536 |
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