A Synergic Effect of Bi-metallic Layered Hydro-Oxide Cocatalyst on 1-D TiO2 Driven Photoelectrochemical Water Splitting  

雙金屬層狀氫氧化物助催化劑在一維TiO?驅(qū)動的光電化學(xué)水分解中的協(xié)同效應(yīng)  

來源：Journal of Asian Ceramic Societies, Volume 11, 2023, Pages 424-435

《亞洲陶瓷學(xué)會雜志》第11卷，2023年，頁碼424-435

 

摘要內(nèi)容

 

研究通過水熱法合成一維TiO?納米棒（TiO? NRs），并采用光輔助電沉積技術(shù)負(fù)載Fe-Ni雙金屬氫氧化物（FeNiOOH）助催化劑，顯著提升光電化學(xué)（PEC）水分解性能。優(yōu)化后的TiO?/FeNiOOH光陽極在1.23 V vs RHE（AM 1.5 G光照）下光電流密度達(dá)1.36 mA cm?2，是裸TiO?（0.69 mA cm?2）的2倍。其入射光子-電流轉(zhuǎn)換效率（IPCE）達(dá)87.8%，光電轉(zhuǎn)換效率為0.93%。氣體產(chǎn)物分析顯示H?和O?的法拉第效率分別為90%和70%，證實(shí)高效全水分解。性能提升歸因于FeNiOOH的協(xié)同作用：增強(qiáng)光吸收（帶隙從3.10 eV降至2.91 eV）、加速電荷分離并降低界面電荷轉(zhuǎn)移阻力。  

 

研究目的

解決TiO?光陽極電荷復(fù)合嚴(yán)重和析氧反應(yīng)（OER）動力學(xué)緩慢的問題。  

 

開發(fā)高效雙金屬助催化劑（FeNiOOH）提升PEC水分解性能。  

 

闡明FeNiOOH與TiO?的協(xié)同作用機(jī)制。  

 

研究思路

材料制備：  

 

水熱法生長一維TiO?納米棒（圖1）。  

 

 

光輔助電沉積FeNiOOH助催化劑（優(yōu)化沉積時間：180 s）。  

性能優(yōu)化：  

 

通過沉積時間調(diào)控催化劑負(fù)載量，確定180 s為最佳條件。  

機(jī)制解析：  

 

結(jié)合形貌、光譜、電化學(xué)表征（圖2-7）揭示能帶調(diào)控與電荷分離機(jī)制。  

 

 

 

 

 

 

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

形貌與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（圖2-4）  

 

數(shù)據(jù)：SEM/TEM顯示FeNiOOH均勻包覆TiO?納米棒（厚度約幾納米），EDS證實(shí)Fe/Ni元素分布（圖3）。  

 

意義：證實(shí)催化劑成功負(fù)載且未破壞TiO?結(jié)構(gòu)，為高活性位點(diǎn)暴露提供基礎(chǔ)。  

光學(xué)與表面性質(zhì)數(shù)據(jù)（圖5）  

 

數(shù)據(jù)：UV-Vis顯示吸收邊紅移（420 nm→435 nm），帶隙從3.10 eV降至2.91 eV；XPS證實(shí)Fe3?/Ni2?-Ni3?價態(tài)及羥基氧存在。  

 

意義：帶隙減小增強(qiáng)光生載流子濃度，羥基氧促進(jìn)OER反應(yīng)動力學(xué)。  

PEC性能數(shù)據(jù)（圖6）  

 

數(shù)據(jù)：光電流密度提升至1.36 mA cm?2（圖6a），IPCE達(dá)87.8%（圖6b），EIS顯示電荷轉(zhuǎn)移電阻降低（圖6d）。  

 

意義：FeNiOOH加速界面電荷轉(zhuǎn)移，抑制電子-空穴復(fù)合。  

能帶結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（圖7）  

 

數(shù)據(jù)：Mott-Schottky測試表明平帶電位正移（-0.10 V→0.11 V），XPS價帶譜顯示價帶邊上移（2.08 eV→2.38 eV）。  

 

意義：能帶位置優(yōu)化促進(jìn)光生空穴向催化劑遷移，增強(qiáng)OER效率。  

氣體產(chǎn)物數(shù)據(jù)（圖6f）  

 

數(shù)據(jù)：H?和O?產(chǎn)量摩爾比≈2:1，法拉第效率分別為90%和70%。  

 

意義：直接證明全水分解反應(yīng)的有效性。  

 

結(jié)論

性能突破：FeNiOOH助催化劑使TiO?光電流密度提升97%，IPCE達(dá)87.8%。  

 

協(xié)同機(jī)制：FeNiOOH降低帶隙增強(qiáng)光吸收，優(yōu)化能帶位置促進(jìn)電荷分離，加速OER動力學(xué)。  

 

穩(wěn)定性與實(shí)用性：4小時穩(wěn)定性測試保持88.1%活性（圖6e），為低成本PEC器件提供設(shè)計(jì)策略。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

研究中采用丹麥Unisense電極（集成壓力傳感器）實(shí)時監(jiān)測PEC反應(yīng)中的氣體分壓變化（H?/O?），其核心價值在于：  

高精度原位監(jiān)測：  

 

通過微壓傳感技術(shù)（檢測限<0.1%分壓變化）實(shí)時追蹤密閉反應(yīng)體系中氣體生成動力學(xué)，直接關(guān)聯(lián)光電流與氣體產(chǎn)物量（圖6f），排除副反應(yīng)干擾。  

法拉第效率驗(yàn)證：  

 

結(jié)合電荷量計(jì)算，證實(shí)90% H?法拉第效率，為"有效電子用于產(chǎn)氫"提供直接證據(jù)，區(qū)別于僅依賴光電流的間接推測。  

技術(shù)不可替代性：  

 

傳統(tǒng)氣相色譜需取樣分析且時間分辨率低（分鐘級），而Unisense電極實(shí)現(xiàn)秒級響應(yīng)，精準(zhǔn)捕捉瞬態(tài)氣體釋放行為（如光照開啟/關(guān)閉時的脈沖產(chǎn)氣），為反應(yīng)動力學(xué)研究提供關(guān)鍵動態(tài)數(shù)據(jù)。