Small Methods: 制备高活性高稳定性近红外光响应光阴极新策略

光电催化分解水是实现太阳能-氢能转变的重要途径之一。若要实现无外部偏压下的高太阳能-氢能转换效率,需要尽量扩大光阴极与光阳极电流-电势曲线间的相互重叠区域。这就要求光阴极材料在相对可逆氢电极较正的电压区间具有良好的光电催化产氢活性与稳定性。

基于非氧化物的窄带隙材料可以实现可见光乃至近红外区域的宽光谱吸收,作为光阴极在理论上具有出色的太阳能转换效率,因而受到广泛关注。然而,较正的工作电压以及碱性电解液环境等因素均会对此类光阴极材料造成严重的腐蚀作用,使其运行稳定性大幅下降,目前仍没有一条有效的解决途径。

在光阴极表面覆盖氧化物保护层被认为是提高其运行稳定性的策略之一。然而传统方法无法实现厚度均匀的氧化物保护层,导致保护效果十分有限,并不能有效延长运行稳定性。且过厚的氧化物层还会造成光阴极吸光能力减弱等负面问题,进而影响光电催化活性。今日,来自日本东京大学的Kazunari Domen教授团队近日在Small Methods上发表了题为“Stable Hydrogen Production from Water on an NIR-Responsive Photocathode under Harsh Conditions”的文章,首次报道了一种光电沉积保护策略。该策略能够在在光阴极表面形成一层厚度仅为25-30 nm的RuO2层,同时扮演阴极保护层、HER催化剂及表面道题等重要角色,在有效抑制光阴极腐蚀的同时能够最大限度地降低氧化物层对光阴极活性的影响。得益于(ZnSe)0.85(CuIn0.7Ga0.3Se2)0.15光阴极的近红外吸光特性,其在0.6 V vs RHE的偏压下依然具有2.9 mA cm-2的光电流,而经RuO2电沉积保护后,其在中性或碱性电解液中均能够稳定运行10小时以上。此外,与以往采用Pt基材料修饰的方法相比,RuO2保护的光阴极具有独特的“活化”过程,最终表现出与Pt基材料修饰相当的光电转化效率与半电池太阳能-氢能转化效率。

该工作提出了一种新的光电沉积RuO2保护策略,同时提高了非氧化物光阴极材料的活性与稳定性,并探讨了表面活化过程与光电催化产氢性能间的联系,为设计高活性、高稳定性的非氧化物光阴极提供了一种有效的解决方案。

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