看Michael Grätzel如何玩转Cu2O水裂解产氢！

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第一作者：Linfeng Pan

通讯作者：Jingshan Luo, Michael Grätzel

第一单位：洛桑联邦理工学院（瑞士）

 

研究亮点：

1.构建了一种廉价易得的、高效且稳定的Cu₂O纳米线光电阴极

2.采用廉价易得的NiMo催化剂取代贵金属催化剂。

3.构建了无外部供能的全氧化物水裂解装置，探索了其实际应用可行性。

 

水裂解产氢是获得清洁化氢能源的重要手段，光电化学水裂解虽然历经数十年研究，仍然存在一系列问题。其中一个瓶颈问题就是，缺乏高效、稳定、廉价易得的光电极，无法同时满足高效、稳定、低成本三大指标。

 

有鉴于此，瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel和Jingshan Luo团队报道了一种基于Cu2O纳米线的廉价、高效、稳定的光电阴极。

 

图1. Cu₂O纳米线电极

 

研究人员首先制备Cu2O纳米线，然后同轴包裹Ga₂O₃纳米线，构建包覆于内的p-n结，最后通过ALD策略同轴包裹TiO₂保护层，最终得到光电阴极材料。

 

这种光电阴极可在整个可见光区高效捕获太阳光（超过600 nm），外部产氢量子产率接近80%。起始光电流超过+1V（vs RHE），光电流密度可达到10mA cm^-2（0 V，vs RHE）。

图2. Cu₂O纳米线电极PEC性能

 

这种光电阴极的优势在于：

1）纳米线径向异质结确保光吸收和电荷传递的同时增强。

2）Ga₂O₃层确保更优的能带排列，减少界面复合，增强光电流。

3）ALD同轴包裹TiO₂保护层使得这种光电阴极可以在实验室测试条件下，稳定工作超过100h。

 

图3. NiMo修饰的Cu₂O光电阴极

 

图4. NiMo修饰的Cu₂O光电阴极的PEC性能

 

利用廉价易得的NiMo作为HER催化剂， Cu₂O光电阴极可在弱碱性条件下稳定工作。为了验证其实际应用效果，在不借助外部供能情况下，研究人员构建了一种全氧化物太阳光水裂解串联装置，利用目前最好的BiVO₄作为光电阳极，实现了3%的solar-H₂转换效率！

 

图5. 无外部供能的全氧化物太阳光水裂解

 

LinfengPan, Jingshan Luo, Michael Grätzel et al. Boosting the performance of Cu₂Ophotocathodes for unassisted solar water splitting devices. Nature Catalysis 2018.