NiFe合金薄膜保护的硅光阳极用于高效光电分解水

光电化学分解水是将太阳能转化为化学燃料的有效途径。光电化学池通常是用具有光活性的半导体材料吸收光激发产生电子/空穴对。用于水氧化反应的光阳极要求在高氧化电位下必须具有较高的稳定性。硅是一种低价、高效的光电化学电极材料,因为其具有较高的载荷迁移率和较窄的带隙(1.12eV)等优异特性,能够有效吸收绝大部分的太阳光。但是,硅在水溶液中易发生光腐蚀和钝化,难以长期使用;为了解决这个问题,贵金属及其氧化物、透明导电氧化物、过渡金属及其氧化物涂层被引入到硅光阳极体系中用作保护层,这些保护层不仅作为硅电极和电解液之间的物理阻隔,防止硅被腐蚀,同时作为氧气生成反应的催化剂促进硅电极和电解液之间电荷传递的动力学。虽然在保护层研究方面已经取得了较大的进展,但是只有原子层沉积方法制备的保护层才能表现出较为满意的催化性能和稳定性,然而复杂而昂贵的原子层沉积方法又难以实现大规模商业化应用。因此仍需要寻找简单、高效、低价的保护层制备方法。

Aenm-shigaoquan

近期,清华大学石高全课题组用电化学沉积方法在异质结硅阳极(np+-Si)表面生长了一层约6 nm厚的NiFe合金薄膜作为保护层和水氧化催化剂。此方法简单、省时、环境友好,而且可控性强,避免了使用昂贵且复杂的原子层沉积制备方法。得到的NiFe合金薄膜具有独特的结构:3 nm厚的致密平整层紧贴硅表面,防止硅的腐蚀;外层3 nm厚的非连续岛状结构有效减弱了入射光的反射,且有利于产生气泡的脱附。最终得到的np+-Si/NiFe光阳极在1.0 M KOH电解液和一个太阳的光照下,表现出0.89 V (vs. RHE) 的起峰电位,620 mV 的光电压,3.3% 的光电转化效率,在动力学析氧电位下(1.23 V vs. RHE)就达到了极限电流密度30.7 mA cm-2,优于以往报道的所有硅光阳极的性能。同时电极表现出异常优异的稳定性,在硼酸钾溶液中能够持续工作高达100小时以上。NiFe合金相较于单个金属薄膜作为保护层的优势也被深入研究:首先,微量Fe的掺杂大大提高了合金催化剂的电荷传递效率和电催化活性;其次,合金催化剂提高了保护层和硅界面之间的能带弯曲,大大提高了界面处的电荷分离效率;最后,引入过氧化氢作为空穴牺牲剂,表明合金作为保护层的电极和电解液之间的电荷注入效率远远优于单个金属作为保护层的情况。此工作首次采用简单易调控的电化学沉积方法制备非贵金属合金作为高性能氧气生成催化剂保护硅阳极,为光电化学催化领域提供了新的思路和方法。相关研究工作发表在近期出版的Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201601805)上。