来源:Frontiers in Energy 发布时间:2021/10/21 11:23:52
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FIE | 前沿研究: NiF2/BiVO4光电阳极有效提升光电分解水性能

论文标题:Enhanced performance of NiF2/BiVO4 photoanode for photoelectrochemical water splitting (NiF2/BiVO4光电阳极有效提升光电分解水性能)

期刊: Frontiers in Energy

作者:Ziwei ZHAO, Kaiyi CHEN, Jingwei HUANG, Lei WANG, Houde SHE, Qizhao WANGO

发表时间:14 Sep 2021

DOI:10.1007/s11708-021-0781-9

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中文摘要

由于BiVO4光电阳极表面电荷复合严重和光生载流子转移能力差,使得其光电化学(PEC)水分解的性能受到限制。在这项工作中,通过简便的电沉积方式将氟化镍 (NiF2)应用于改进纯BiVO4光电阳极。结果表明,与BiVO4 光电阳极相比,制备的NiF2/BiVO4光电阳极的光电流密度增加了约180%。此外,由于NiF2和BiVO4之间的协同作用,复合光电阳极相应的光电转换效率、电荷注入和分离效率以及产氢性能得到了明显的提升。这项研究对于氟化物/半导体复合光电阳极系统的设计具有一定的指导意义。

研究背景及意义

利用光电化学分解水将太阳能转化为化学能是适应能源利用和环保需求增长的一种具有前景且有效的策略。钒酸铋(BiVO4)由于具有能隙窄、能带位置合适、成本低、化学稳定性好和理论太阳能氢转换效率较高的优势而被认为是一种理想的光电阳极材料,但是其光电化学(PEC)分解水在制氢领域的应用受到载流子扩散长度短、电子-空穴分离效率差、水氧化动力学慢等因素的限制。氟化物由于具有独特的光学特性,可以吸收充足的可见光,从而为光生电子-空穴对之间的分离提供足够的能量。同时,金属-氟键不仅由于氟阴离子强的电负性而具有强烈的相似性和高极化性,促使电子转移效率提高,而且易解离形成金属(氢)氧化物作为钝化层,使得催化剂结构保持稳定并促进光电阳极水氧化反应。本文通过电化学沉积的方式将NiF2修饰于BiVO4光电阳极上,使得其光电化学性能得到了显著的提升,这对高性能异质结光电阳极系统的设计构建具有一定的指导意义。

研究内容及主要结论

本文通过简便的电沉积方法来制备得到可用于光电化学水分解的NiF2/BiVO4复合光电阳极材料。测试结果显示NiF2/BiVO4复合光阳极在AM 1.5 G光照下在1.23 VRHE处显示出2.8 mA/cm2 的光电流密度,是纯BiVO4光阳极的2.8倍(图1)。此外,进一步的研究表明,当NiF2组装到BiVO4光阳极表面时,光电转换效率、光生电子-空穴分离效率和表面反应动力学都得到了有效改善(表1),同时该复合光电阳极还显示出不错的析氢性能和稳定性。这不仅得益于NiF2/BiVO4的异质结结构可以有效抑制电荷复合并提高PEC性能,而且NiF2能够有效降低过电位,加速表面反应动力学并促进电子和空穴的分离。

总的来说,本研究深入探讨了金属氟化物修饰对BiVO4光阳极PEC性能的影响,同时也为高性能异质结光电阳极体系的构建提供了指导思路。

图1 光电阳极样品在AM 1.5G光照条件下的线性扫描伏安曲线

图2 NiF2/BiVO4光电催化水分解可能性机理示意图

原文信息

Enhanced performance of NiF2/BiVO4 photoanode for photoelectrochemical water splitting

Ziwei ZHAO1 , Kaiyi CHEN2 , Jingwei HUANG1 , Lei WANG1 , Houde SHE1 , Qizhao WANG3*

作者单位:

1、College of Chemistry and Chemical Engineering, Northwest NormalUniversity, Lanzhou 730070, China

2、School of Water and Environment, Key Laboratory of SubsurfaceHydrology and Ecological Effects in Arid Region of the Ministry ofEducation, Chang’an University, Xi’an 710054, China

3、College of Chemistry and Chemical Engineering, Northwest NormalUniversity, Lanzhou 730070, China; School of Water and Environment,Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effects in AridRegion of the Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an710054, China

Abstract:

The serious surface charge recombination and fatigued photogenerated carriers transfer of the BiVO4 photoanode restrict its photoelectrochemical (PEC) water splitting performance. In this work, nickel fluoride (NiF2) is applied to revamp pure BiVO4 photoanode by using a facile electrodeposition method. As a result, the as-prepared NiF2/BiVO4 photoanode increases the dramatic photocurrent density by approximately 180% compared with the pristine BiVO4 photoanode. Furthermore, the correlative photon-to-current conversion efficiency, the charge injection, and the separation efficiency, as well as the hydrogen generation of the composite photoanode have been memorably enhanced due to the synergy of NiF2 and BiVO4. This study may furnish a dependable guidance in fabricating the fluoride-based compound/semiconductor composite photoanode system.

Keywords:

BiVO4, NiF2, heterojunction, photoelectrochemical water splitting

Cite this article

Ziwei ZHAO, Kaiyi CHEN, Jingwei HUANG, Lei WANG, Houde SHE, Qizhao WANG. Enhanced performance of NiF2/BiVO4 photoanode for photoelectrochemical water splitting. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-021-0781-9

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涉及领域包括(不限于):先进的能源材料,储能与应用,氢能与燃料电池,CO2 捕集、封存和利用,太阳能和光伏系统,生物燃料和生物能源,地热能,风能,地热能,潮汐能,核能,传热传质技术,能源与环境,建筑节能及能源经济政策等。

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