成果速覽

本研究開發(fā)了一種新型的硅光電極，該電極表面覆蓋有TiO2/不銹鋼雙層結(jié)構(gòu)，用于太陽能驅(qū)動的海水分解。通過在不銹鋼和TiO2的協(xié)同作用下，實(shí)現(xiàn)了高效的氧氣進(jìn)化反應(yīng)和對海水中腐蝕性離子的阻隔。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該光電極在含有氯離子的堿性電解液中穩(wěn)定性達(dá)到167小時，并且在堿性自然海水中表現(xiàn)出超過50小時的穩(wěn)定性能，光子轉(zhuǎn)換效率為2.62%。

圖文導(dǎo)讀

圖1：展示了硅光電極的制備過程和結(jié)構(gòu)示意圖。通過在異質(zhì)結(jié)硅基底上沉積TiO2和不銹鋼薄膜，構(gòu)建了雙層保護(hù)層。圖中還展示了在模擬AM 1.5 G光照下，HJ-Si/TiO2/SS光電極的光電轉(zhuǎn)換效率（ABPE）曲線。

圖2：通過掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）圖像，展示了HJ-Si/TiO2/SS光電極的形貌和化學(xué)狀態(tài)。圖中還展示了不銹鋼薄膜在反應(yīng)前后的元素分布和化學(xué)狀態(tài)變化。

圖3：展示了不同不銹鋼薄膜厚度對光電極性能的影響。通過電流-電壓（J-V）曲線和ABPE曲線，可以看出SS-83樣品在含氯堿性電解液中展現(xiàn)出最佳的光電化學(xué)性能。

圖4：通過穩(wěn)定性測試和DFT計算結(jié)果，分析了Cl-對光電極穩(wěn)定性的影響。圖中還展示了不銹鋼薄膜在穩(wěn)定性測試前后的表面形貌和結(jié)構(gòu)變化。

圖5：展示了HJ-Si/TiO2/SS-83光電極在堿性自然海水中的光電化學(xué)性能。通過J-V曲線和ABPE曲線，可以看出光電極在自然海水中仍然保持較高的性能。

亮點(diǎn)介紹

1. 創(chuàng)新設(shè)計了TiO2/不銹鋼雙層結(jié)構(gòu)，有效保護(hù)硅光電極免受海水中腐蝕性離子的侵害。

2. 通過電化學(xué)重構(gòu)，不銹鋼薄膜轉(zhuǎn)化為含鉻的NiFe（氧）氫氧化物，顯著提升了氧氣進(jìn)化反應(yīng)的催化活性。

3. 實(shí)現(xiàn)了在含氯堿性電解液中長達(dá)167小時的穩(wěn)定性能，以及在堿性自然海水中超過50小時的穩(wěn)定運(yùn)行。

4. 達(dá)到了2.62%的光子轉(zhuǎn)換效率，為太陽能海水分解提供了高效且穩(wěn)定的解決方案。

計算模擬

通過密度泛函理論（DFT）計算，研究了Ni1?x?yFexCry(OH)2和Ni(OH)2的氧進(jìn)化反應(yīng)（OER）機(jī)制。計算了在不同電位下OER中間體的吉布斯自由能，以評估其催化活性。

DFT計算結(jié)果表明，Ni1?x?yFexCry(OH)2相比于Ni(OH)2在OER過程中顯示出更低的反應(yīng)能壘，這與實(shí)驗(yàn)中觀察到的優(yōu)異的起始電位和ABPE一致。

此外，DFT計算還揭示了Cl?在Ni1?x?yFexCry(OH)2上的吸附能力減弱，有助于抑制腐蝕過程和提高光電極的穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：A silicon photoanode protected with TiO2/stainless steel bilayer stack for solar seawater splitting

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-47389-z