Stabilizing CuO photocathode with a Cu_(3)N protection shell  

Cu_(3)N保护壳层稳定CuO光阴极

作　　者：Xiang‐dong Meng Chao Zhen Gang Liu Hui‐Ming Cheng 孟祥东;甄超;刘岗;成会明(中国科学院金属研究所沈阳材料国家研究中心,辽宁沈阳110016;上海科技大学物质科学与技术学院,上海201210;中国科学技术大学,材料科学与工程,辽宁沈阳110016;清华-伯克利深圳学院,深圳盖姆石墨烯研究中心,广东深圳518055)

机构地区：[1]Shenyang National Laboratory for Materials Science,Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,Liaoning,China [2]School of Physical Science and Technology,ShanghaiTech University,Shanghai 201210,China [3]School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology of China,Shenyang 110016,Liaoning,China [4]Shenzhen Geim Graphene Center,Tsinghua‐Berkeley Shenzhen Institute,Tsinghua University,Shenzhen 518055,Guangdong,China

出　　处：《Chinese Journal of Catalysis》2022年第3期755-760,共6页催化学报（英文）

基　　金：国家自然科学基金(51825204,52072377);中国科学院前沿科学研究重点计划项目(拔尖青年科学家类别)(QYZDB-SSW-JSC039);中国科学院青年创新促进会(2020192).

摘　　要：CuO,as a promising photocathode material,suffers from severe photocorrosion in photoelectrochemical water splitting applications.Herein,a Cu_(3)N protection shell was used to protect the CuO photocathode for the first time to effectively suppress the photocorrosion of CuO.Consequently,the Cu_(3)N‐protected CuO photocathode shows improved stability,retaining 80% of its initial current density in a 20‐min test,while only 10%of the initial current density can be retained for the bare photocathode.This work may provide an important strategy for using Cu_(3)N shells to stabilize unstable photocathodes.氧化铜是一种有潜力的光电催化分解水用光阴极材料,但由于其在光电催化分解水过程中会发生严重的光腐蚀,限制了其实际应用.因此,构建有效的保护壳层抑制氧化铜光腐蚀,具有重要意义.虽然原子层沉积技术已成为构建光阴极保护层的主流手段,但由于制造成本高昂,难以满足未来实际应用对低成本和规模化的要求,因此,亟需发展简易、低廉的保护壳层制备手段.从电化学稳定性的角度出发,发现氮化铜(Cu_(3)N)是一种电化学稳定的铜基氮化物,已被广泛应用于电催化还原CO_(2)、N_(2)和O_(2)等领域,具有强的抗电化学还原能力(J.Am.Chem.Soc.,2011,133,15236-15239;Nano Lett.,2019,19,8658-8663).因此,氮化铜具有作为氧化铜光阴极保护壳层的潜质.目前,氮化铜薄膜主要通过高真空的手段制备,如射频磁控溅射以及等离子体辅助分子束外延等方式.为了实现低成本、易制备的目标,本文发展了一种低温(185℃)氮化的方法,在氧化铜光阴极表面原位制备出氮化铜保护壳层,使氧化铜光阴极获得了稳定的光电催化分解水性能.在20 min的光电催化分解水的稳定性测试中,未保护的氧化铜光阴极的光电流密度衰减至初始光电流密度的10%,而氮化铜壳层保护的氧化铜光阴极的光电流密度则仍可保持其初始光电流密度的80%.通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)等表征方法,研究了氮化铜保护壳层对氧化铜光阴极的保护机理,即致密的抗还原物质氮化铜作为保护层,有效隔绝了电解质溶液与氧化铜的直接接触,从而抑制了氧化铜的光腐蚀.XRD和XPS结果证实表面氮化铜壳层的生成;SEM结果表明,存在致密的氮化铜薄膜壳层.光电化学稳定性测试后,样品的XRD结果表明,无氮化铜保护的氧化铜光阴极已经完全被还原为氧化亚铜,而氮化铜保护的氧化铜光阴极只有少部分被还原为氧化亚�

关 键 词：CUO Cu_(3)N PHOTOCATHODE Stability Water splitting 

分 类 号：TQ116.2[化学工程—无机化工] TB306[一般工业技术—材料科学与工程]