Role of transition-metal electrocatalysts for oxygen evolution with Si-based photoanodes  

过渡金属电催化剂在硅基光阳极分解水产氧中的作用

作　　者：Rajender Boddula Guancai Xie Beidou Guo Jian Ru Gong Rajender Boddula;谢关才;郭北斗;宫建茹(国家纳米科学中心,中国科学院纳米系统与多级次重点实验室,中国科学院纳米科学卓越创新中心,北京100190;中国科学院大学,北京100049)

机构地区：[1]Chinese Academy of Sciences(CAS)Center for Excellence in Nanoscience,CAS Key Laboratory of Nanosystem and Hierarchy Fabrication,National Center for Nanoscience and Technology,Beijing 100190,China [2]University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

出　　处：《Chinese Journal of Catalysis》2021年第8期1387-1394,共8页催化学报（英文）

基　　金：国家自然科学基金(21422303,21573049,21872043);中国科学院战略性先导科技专项(B类)资助(XDB36000000);中国科学院青年创新促进会;中国科学院“一带一路”专项;中国科学院“国际人才计划”,北京市自然科学基金(2142036).

摘　　要：A comprehensive understanding of the role of the electrocatalyst in photoelectrochemical(PEC)water splitting is central to improving its performance.Herein,taking the Si-based photoanodes(n^(+)p-Si/SiO_(x)/Fe/FeOx/MOOH,M=Fe,Co,Ni)as a model system,we investigate the effect of the transition-metal electrocatalysts on the oxygen evolution reaction(OER).Among the photoanodes with the three different electrocatalysts,the best OER activity,with a low-onset potential of∼1.01 VRHE,a high photocurrent density of 24.10 mA cm^(-2)at 1.23 VRHE,and a remarkable saturation photocurrent density of 38.82 mA cm^(-2),was obtained with the NiOOH overlayer under AM 1.5G simulated sunlight(100 mW cm^(-2))in 1 M KOH electrolyte.The optimal interfacial engineering for electrocatalysts plays a key role for achieving high performance because it promotes interfacial charge transport,provides a larger number of surface active sites,and results in higher OER activity,compared to other electrocatalysts.This study provides insights into how electrocatalysts function in water-splitting devices to guide future studies of solar energy conversion.光电化学分解水可将太阳能转换为绿色的氢能,为目前的能源危机和环境问题提供了一种理想的解决方案.在分解水反应中,涉及四空穴过程的产氧半反应是制约性能的关键步骤,往往需要在半导体表面沉积电催化剂以加速产氧反应动力学.因此,全面理解电催化剂在光电化学分解水体系中的作用至关重要.在目前的产氧电催化剂中,过渡金属羟基氧化物电催化剂(MOOH,M=Fe,Co,Ni)因其环保、廉价、高效以及稳定的特性,已被广泛用于半导体光阳极分解水器件中.而且,MOOH可用简单的电沉积方法沉积在光电极表面,易于大面积制备.然而,电沉积法制备的MOOH具有复杂的结构,对其作用机制的全面理解更加困难.因此,本文以电沉积MOOH修饰的硅基光阳极(n^(+)p-Si/SiO_(x)/Fe/FeOx/MOOH)作为模型,研究了不同电催化剂对硅光阳极光电化学产氧性能的影响.实验发现电催化剂的界面优化在电催化剂修饰的光电极中发挥着重要作用,这是因为优化的界面可以提升界面电荷传输,提供更多的催化反应活性位点以及更高的本征催化活性,从而更有利于光解水性能的提升.该项研究揭示了电催化剂在光解水器件中的作用,并为今后高效光解水器件的设计提供了一定指导.首先在多晶n^(+)p-Si基底上热蒸镀了一层30 nm的金属Fe膜,并通过电化学活化将Fe膜表面转换为FeOx得到Fe/FeOx(记作aFe)界面层,然后利用电沉积方法制备MOOH表面修饰层,最终得到n^(+)p-Si/SiO_(x)/aFe:MOOH光阳极.X射线光电子能谱、拉曼光谱以及扫描电子显微镜表面元素成像的表征结果均证实电极表面由于界面层金属Fe元素的掺杂而形成了Fe1-xNixOOH.在模拟太阳光下用于光解水产氧时,n^(+)p-Si/SiO_(x)/aFe:NiOOH电极的起始电位为~1.01 VRHE(相对于可逆氢电极的电势),在1.23 VRHE下的光电流为38.82 mA cm^(-2),显著优于n^(+)p-Si/SiO_(x)/aFe、n^(+)p-Si/SiO_(x)/aFe:FeOOH以及

关 键 词：Solar water splitting Artificial photosynthesis Oxygen evolution reaction PHOTOANODE Interfacial engineering Transition-metal electrocatalyst 

分 类 号：TQ116.2[化学工程—无机化工] TQ426