Engineering Reports:用于光电化学水分解的赤铁矿光阳极界面工程的最新进展

氢气可以通过燃料电池高效转化为电能,也可以作为高效燃料直接驱动内燃机,被认为是未来能源载体的关键组成部分。然而,氢气不能直接从自然界中获得,因此开发绿色的制氢技术至关重要。其中,光电化学(PEC)水分解技术通过阳光和半导体,人为地将水分解为氢气与氧气,是一种经济性佳且可持续的制氢技术。

在PEC水分解技术中,光电极必须满足以下要求:(1)边带位置需跨越析氢和析氧电势;(2)具有窄带隙来实现大量的光吸收;(3)具有合适的体积和表面特性来实现界面处的高效电荷分离和电荷转移;(4)在PEC条件下具有良好稳定性;(5)材料成分在地壳中的丰度较高,适宜大规模生产。然而,迄今还没有一种半导体材料能同时满足上述五个要求。因此,分别使用n型半导体进行析氧反应(OER)和p型半导体进行析氢反应(HER)是目前最合理的解决方案。而在整个水分解反应中,涉及四个电子转移的氧分子形成是速控步,因此开发出色的光阳极至关重要。

赤铁矿(α-Fe2O3)是氧化铁热力学最稳定的结构,作为n型半导体具有1.9~2.2 eV的窄带隙,并在电解质中(pH=4~14)具有良好的稳定性。理论上,在AM 1.5G照射下,赤铁矿光阳极在1.23 VRHE下应具有12.6 mA cm-2的光电流密度和~15.5%的光氢转化(STH)效率。然而,赤铁矿光阳极较差的电学特性使其光电流密度普遍低下,限制了其在PEC水分解中的进一步应用。近日,西北工业大学王洪强教授课题组综述了用于PEC水分解的赤铁矿光电极研究进展,重点讨论了其面临的两个主要问题:赤铁矿/界面处的低表面反应动力学以及块状赤铁矿中的电荷复合,并回顾了多种解决策略的最新成果。

图1 赤铁矿的(A)晶胞结构、(B)吸收光谱和(C)晶格模型

首先,作者概述了赤铁矿的结构和光电特性,其晶胞结构、吸收光谱和晶格模型如图1所示。赤铁矿的光学带隙约为1.9~2.2 eV,但在带隙附近的吸收率较低,因此必须制备厚膜来增强入射光的吸收,以获得更高的PEC性能。之后,作者对赤铁矿中载流子传输行为和光阳极/电解质界面处反应机理进行了总结,并指出了赤铁矿光阳极用于水分解的两个主要问题:载流子运输、分离不良和光阳极/界面处的OER动力学缓慢。

图2 水热合成法示意图及产物形貌

图3 热氧化法示意图及产物形貌

随后,作者概述了赤铁矿光阳极的合成方法,并讨论了各种方法对薄膜形态、电子结构及界面接触的影响。其中,水热法(图2)具有简单、产率高的特点,而热氧化法(图3)设备要求低,并能产生多种形貌的产物(如纳米线、纳米片和纳米棒等)。此外,电沉积法、喷雾热解法、大气压化学气相沉积和旋涂法等也被用于制造赤铁矿光阳极。

图4 光阳极/电解质界面工程示意图

图5 光阳极内部界面工程示意图

图6 串联器件的示意图。

最后,文章回顾了赤铁矿光阳极的界面工程和串联器件应用。作者根据界面的位置,依次讨论了光阳极/电解质(图4)、光阳极内部(图5)和光阳极/基板三种界面工程对PEC性能的影响,并根据与PEC组成串联器件(图6)的器件种类(光伏器件、染料敏化太阳能电池或钙钛矿太阳能电池),详尽讨论了目前串联器件的优势与缺点。

论文信息:

Recent advances on interfacial engineering of hematite photoanodes for viable photo-electrochemical water splitting

Fan Li, Jie Jian, Youxun Xu, Shiyuan Wang, Hongyue Wang, Hongqiang Wang*

Engineering Reports

DOI: 10.1002/eng2.12387

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eng2.12387

潘奕辰,天津大学化工学院,硕士研究生。