来源:Nano Research Energy 发布时间:2022/8/2 9:39:37
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如何提高光电化学水分解稳定性?基于金属氧化物/硫化物的光阳极研究最新进展!

2022年7月4日,苏州大学李亮教授在清华大学创办的能源期刊Nano Research Energy发表题为“Recent research progress on operational stability of metal oxide/sulfide photoanodes in photoelectrochemical cells”的最新综述文章。

图1:文章的主要脉络示意图。

光电化学(PEC)分解水制氢基于光电互补策略,同时利用太阳能和电能来分解水制备氢气,使得器件对电能的损耗和依赖性大幅度降低;同时外加偏压的引入使得光生电子-空穴对在光电极中定向移动,减少了光生载流子的复合。由于地球上的水和太阳能几乎取之不尽用之不竭,因此这项技术引起了广泛关注。其中发生在光阳极上的析氧反应由于需要 O-H 键断裂和 O-O 键生成步骤,其动力学反应迟钝,是限制 PEC水分解性能的主要因素。目前,众多的电极修饰策略,如掺杂、助催化剂负载、异质结构构建、晶面控制、空位引入和界面工程等已被应用于光阳极的改性研究,光阳极的性能得到了实质性的提高。以 BiVO4 为例,其光电流密度已达到最大值 6.2 mA cm-2。同时,金属硫化物的性能高达15.35 mA cm-2。然而, PEC水分解的最终目的是解决能源危机,因此,进行大规模商业化的产氢是未来主要的研究方向。但是,对于在实际操作条件下如何确保器件的长期运行稳定性是一个亟待克服的问题。目前PEC装置的长期稳定运行仍不足以满足大规模商业应用的要求,其长期稳定运行是一个有待解决的难题。因此,光阳极的稳定性仍然是制约PEC水分解进一步发展的核心。

针对以上问题,苏州大学李亮教授团队对目前基于金属氧化物和硫化物光阳极的稳定性相关研究进行了总结,提出了导致光腐蚀现象发生的主要因素和对应的解决方案。众所周知,与金属硫化物相比,金属氧化物在稳定性方面具有巨大优势;例如,二氧化钛天然具有良好的稳定性。然而,金属硫化物非常适合作为光阳极,因为它们具有窄带隙、合适的能带位置和容易获得的垂直有序纳米阵列形貌。迄今为止,尽管许多文献报道都集中在解决金属硫化物的稳定性问题,但最终得到的器件稳定性性能仍远远落后于金属氧化物。此外,由于光阳极材料的不同,光腐蚀的原因也会略有不同。因此,本文主要探讨不同材料的光腐蚀机理,总结不同金属硫化物和金属氧化物的稳定性相关研究工作(图1),对光腐蚀现象常见的表现形式和表征方法进行概括。针对各个材料光腐蚀机理的特异性,介绍了特定光阳极材料(BiVO4、WO3、Fe2O3、In2S3、CdS等)的光腐蚀机理和常见改性策略。最后,通过比较光阳极材料的解决方案,讨论了潜在的光腐蚀研究方案,并提出了提高金属硫化物稳定性的一些建议。

相关论文信息:

Linxing Meng, Liang Li. Recent research progress on operational stability of metal oxide/sulfide photoanodes in photoelectrochemical cells. Nano Res. Energy 2022, DOI: 10.26599/NRE.2022.9120020.

https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120020.

作为Nano Research姊妹刊,Nano Research Energy (ISSN: 2791-0091; e-ISSN: 2790-8119; 官网: https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年3月创刊,由清华大学曲良体教授和香港城市大学支春义教授共同担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉,全英文开放获取期刊,聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用,对标国际顶级能源期刊,致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文。2023年之前免收APC费用,欢迎各位老师踊跃投稿。投稿请联系编辑部:薛老师,NanoResearchEnergy@tup.tsinghua.edu.cn.

 
 
 
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