分级结构的三维硫化钴/硒化镍杂化纳米片:高效电化学/光电化学水裂解电极

利用太阳能驱动光电化学水裂解制氢气和氧气被认为是可再生能源转化中最有潜力的途径之一。在太阳光照射下,半导体受激产生光生电荷载流子。这些光生电子-空穴对快速分离并迁移至电极材料表面,参与水的氧化和还原反应。近年来,关于光生电子-空穴对有效分离的研究主要集中在如何提高体相半导体材料的光生电荷载流子传输特性。然而,对于改善光电化学水裂解中起着关键作用的半导体/电解液界面反应动力学过程却少有人关注。开发高活性和高稳定性的电催化/助催化剂能够有效的捕获光生电子和空穴,促进光生电荷载流子的界面分离,提高半导体/电解液界面的反应动力学。目前,Pt和Ir/Ru基贵金属被认为是具有最高催化活性的水裂解电催化剂,但其昂贵的价格和稀缺的资源严重影响了其广泛的实际应用。前期研究发现许多资源富足的非贵金属材料能够作为电催化/助催化剂用于光电化学水裂解制备氢气和氧气,然而由于化学相容性、材料稳定性以及光电极和电催化剂之间的电荷有效传输等问题,导致只有少数非贵金属材料能够直接被应用于光电化学水裂解反应过程。

Nano Letters-fengxinliang

近期,德国德累斯顿工业大学冯新亮教授研究团队通过两步水热法在电化学剥离石墨烯(EG)表面原位构筑了具有分级结构的三维Co9S8和Ni3Se2杂化纳米片电极,并将其应用到碱性环境下电化学和光电化学水裂解制备氢气和氧气。该独特的三维杂化纳米片分级结构不仅具有高比表面积(83 m2 g1)和高电子传输速率,而且还提供了丰富的通道,有利于电解液的快速扩散。在碱性条件下,EG/Ni3Se2/Co9S8电极表现出卓越的电催化水裂解制氢活性,在电流密度达到20 和 50 mA cm2时,其电化学产氢过电势分别为-0.17和-0.23 V,性能远优越于其他Ni3Se2和Co9S8基电催化材料。结合同步辐射和密度泛函理论(DFT)计算,研究人员从机理本质上阐释了由于Co9S8和Ni3Se2纳米片之间的强界面耦合作用,使得接触面处发生明显的界面重构现象,从而生成了新的Ni-S键,继而导致了表面电荷的重新分布并大大降低了水解离和氢吸附过程中的能量势垒,极大地加速了碱性析氢反应的质子动力学过程。该复合结构在碱性条件下还展现出优异的双功能全裂解水制氢气和氧气的催化活性,仅需1.62 V的电压即可达到10 mA cm2的水裂解电流密度,性能接近于商业中广泛应用的Pt/C和Ir/C电催化材料。最后,将EG/Ni3Se2/Co9S8电催化剂选择性地沉积在多孔硅电极表面,制成了高效的太阳能驱动水裂解整合光阴极,成功实现在碱性和真实河水环境下光电催化水裂解制备氢气。

这项工作不仅设计并开发出一种高效稳定的三维杂化纳米片电催化/助催化剂,还为如何设计高活性的人工固氮和二氧化碳转化催化材料的设计提供了新的思路。相关工作已发表于Nano Letters (DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b01030)。

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