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不断增长的能源需求和不断恶化的生态问题刺激着研究人员对可再生能源和清洁能源的探索。使用可持续能源的光/电催化水分解是一种很有前途的生产清洁氢燃料的方法，但目前仍存在着一些难题。
本文整理了近期光电催化水分解领域发表在Advanced Science, Angew，Nature Comm.，Nature Catalysis，EES，AEM国际顶级期刊上的代表性工作。
基于金属硫化物半导体光催化剂的太阳能驱动全水分裂，由于电荷重合性强，催化活性位点不足，仍然是一个挑战。此外，在光催化水氧化催化过程中，显著抑制逆反应，特别是硫化物离子的氧化是一项艰巨的任务，需要高效的光生空穴转移动力学。
近日，香港理工大学的柴扬教授团队在国际知名期刊Advanced Science上发表题为"A Ternary Dumbbell Structure with Spatially Separated Catalytic Sites for Photocatalytic Overall Water Splitting"的文章，Bocheng Qiu为本文的第一作者。
本文设计并制造了一种基于CdS纳米线锚定MoS2(电子收集器)和RuO2(空穴收集器)双共催化剂的纳米哑铃结构光催化剂，成功实现了H2和O2的同步演化。MoS2 NSs作为电子捕获器被装饰在CdS纳米线的两端，而RuO2 NPs作为空穴收集器被沉积在CdS纳米线的侧壁上。CdS纳米线上的光生电子和空穴分别流向尖端和侧壁，在相应的共催化剂上积累的电荷随后参与全水分裂（图1b）。
文章链接:
A Ternary Dumbbell Structure with Spatially Separated Catalytic Sites for Photocatalytic Overall Water Splitting
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201903568
氢（H2）由于具有高能量密度和无碳排放而被认为是解决全球能源危机的最有希望的能源之一。直接利用阳光从水中生产H2的光催化水分解技术是一项卓越的经济和环保技术。人们努力致力于合理设计和合成具有增强的光子捕获和促进电荷分离的高效光催化剂，以实现高效的太阳能驱动的H2转化。但是，反应迟钝的动力学和依赖在贵金属上进行这种光化学转化仍然阻碍了这些方法的实际应用。用于光化学水分解的高效且无金属的光催化剂的开发最近被认为是解决光化学能量转换中这一难题的替代途径。
二维共价有机骨架（2D COFs）是一类新兴的晶体多孔聚合物，通过对已报道的和已确定的光活性COFs进行微小的修改来提高HER速率，同时避免寻找新的高效光催化剂的繁琐的反复试验过程，这仍然是迫切需要的。
基于以上现状，天津大学陈龙教授，中国科学技术大学徐航勋教授在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Modulating Benzothiadiazole-Based Covalent Organic Frameworks via Halogenation for Enhanced Photocatalytic Water Splitting: Small Changes Make Big Differences”的论文。Weiben Chen, Lei Wang为本文共同第一作者。
具体而言，由于BT的强电子缺乏受体单元和D-A交替骨架诱导的有效分子内电荷转移，本文选择了具有代表性的基于光活性苯并噻二唑（BT）的COF（BT-COF）。Py-XTP-BT-COF（X = H，F，Cl）是基于成熟的D-A内置策略设计的，以提高电荷分离效率并促进光吸收。
本文制备了用缺电子的BT受体单元环化的三联苯基二胺（HTP-BT-NH2）,其他两种二胺（XTP-BT-NH2，X = F，Cl）通过相似的方法合成，同时使用4,7-二溴-5,6-二氟苯并[c][1,2,5]噻二唑或4,7-二溴-5,6 -二氯苯并[c][1,2,5]噻二唑作为前体。选择4,4'，4''，4'''-（py-1,3,6,8-四基）四苯甲醛（Py-CHO）作为中心对接位点，因为它可以轻松创建具有出色光电性能的高度结晶的框架。这样，通过筛选不同的缩合条件即可轻松获得Py-XTP-BT-COFs（X = H，F，Cl）。通过各种测量明确地表征了Py-XTP-BT-COFs的详细结构。
太阳能的有效利用可以为缓解化石燃料日益增加的消耗所带来的能源和环境问题提供一条可再生的途径。除了将太阳能转化为电能的光伏技术外，光电化学水分解技术（PEC）被认为是另一种很有前途的策略。将太阳能储存到氢燃料的化学键中引起了极大的研究兴趣。
为了在实际的PEC电池中获得较高的太阳-氢（STH）转换效率，电极材料的选择，特别是光阳极材料的选择，对于考虑水在光阳极表面氧化慢、多步、质子耦合电子转移动力学具有重要意义。然而，迄今为止还没有一种半导体能完全满足实际应用的所有严格要求，包括高效率、在水电解质中的稳定性和规模化制造的低成本，这使得设计令人满意的光阳极材料仍然是一个挑战。
近日，山东大学陈代荣教授，夏玉国高级实验师在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Highly active deficient ternary sulfide photoanode for photoelectrochemical water splitting”的论文。王海梅为本文第一作者。
本文报道了一种缺陷态三元金属硫化物（CdIn2S4)光阳极材料。通过引入表面硫空位显著提高了其光电化学性能。在模拟太阳光下，1.23 V（vs. RHE）时，具有5.73 mA cm-2的光电流密度，同时，在0.477 V（vs. RHE）偏压下光电转换效率为2.49％。
通过实验表征和理论计算，研究人员系统地阐述了硫空位对PEC性能和电荷传输动力学的影响。突出了表面硫空位对界面电荷分离和传输动力学的增强作用，同时也证明了引入表面硫空位后受约束的表面态分布和活性位的转变。本工作为调节半导体/电解质界面电位提供了途径。
文章链接:
Highly active deficient ternary sulfide photoanode for photoelectrochemical water splitting
https://www.nature.com/articles/s41467-020-16800-w
在分子水平上揭示活性面如何促进光催化仍然是一个宏大的挑战，而活性面的识别可以为设计高效光催化剂和解开其背后的微观机制提供指引。最近，报道了一系列具有高结晶结构的聚三嗪亚胺(PTIs)；对于整体水分裂来说，它们的光催化活性都比较低。
近日，福州大学的王心晨教授团队在国际知名期刊Nature Catalysis上发表题为“Molecular-level insights on the reactive facet of carbon nitride single crystals photocatalysing overall water splitting”的论文。Lihua Lin为本文第一作者。
电解水是一种清洁、可持续的大规模制备氢气的方法。电解水反应包括产氢(HER)和析氧(OER)两个半反应。相比较于HER，OER由于涉及多步质子和电子转移，过程更加缓慢，这使得OER成为制约电解水产氢技术发展的瓶颈。虽然钌(Ru)和铱(Ir)等贵金属催化剂具有高的OER催化活性，但其储量少和成本高的缺点限制了这些材料的广泛应用。因此，近年来，科研工作者投入了大量精力研发非贵金属材料来代替这些贵金属催化剂用于电催化OER。在诸多性能优异的非贵金属催化剂中，过渡金属羟基氧化物，特别是镍铁羟基氧化物(NiFeOOH)，被证明是碱性条件下性能最好的OER催化剂。目前已经报道的大部分NiFeOOH催化剂的制备过程都涉及多步高温和长时间处理，这使得催化剂的制备消耗了大量能量和时间，这个能量消耗甚至远远超过催化性能提升而在电解水过程中节省的能量。因此，开发能耗低的快速制备镍铁羟基氧化物催化剂的方法对于加快电解水制氢技术的大规模应用具有重要意义。
近日，美国休斯顿大学任志锋教授和陈硕教授团队与中国华中师范大学余颖教授联合在国际顶级期刊Energy Environ. Sci.上发表题为“Ultrafast room-temperature synthesis of porous S-doped Ni/Fe (oxy)hydroxide electrodes for oxygen evolution catalysis in seawater splitting”的研究工作。
该文章第一作者为休斯顿大学余罗博士，任志锋、陈硕和余颖教授为通讯作者。
该工作开发了一种经济高效的表面处理方法，在室温下几分钟内在商业泡沫镍表面刻蚀一层高度多孔的S掺杂Ni/Fe(O)OH催化剂[标记为S-(Ni,Fe)OOH]，可以直接用作高效的OER电极。不同于传统的电沉积或水热方法会导致催化剂和基底之间的不良接触，本工作中泡沫镍同时用作导电基底和提供镍源参与反应，从而保证了活性物质和基底的紧密接触，大大减小了接触电阻，从而有助于电子的快速传递和提升催化剂的稳定性。
此外，这种超快的制备方法有效地将泡沫镍表面刻蚀成粗糙的S-(Ni,Fe)OOH层，该氢氧化物层具有多级孔隙度和良好的亲水性。而且，在反应过程中，S会引入到(Ni,Fe)OOH的表面和晶格，这可以调节Ni/Fe的化合价态和优化OER中间体的吸附能，从而进一步提高OER催化活性。由此，制备的S-(Ni,Fe)OOH电极同时在碱性盐水和碱性海水中展现出优异的OER活性和稳定性。具体而言，在碱性天然海水电解液中，该S-(Ni,Fe)OOH电极分别在300和398 mV的过电势下即可输出100和500 mA cm-2的电流密度。
这项工作从降低催化剂的制备成本出发，成功研发了一种简单有效的快速制备OER电极的方法，这对电解水制氢和海水处理技术的发展具有重要意义。
文章链接:
Ultrafast room-temperature synthesis of porous S-doped Ni/Fe (oxy)hydroxide electrodes for oxygen evolution catalysis in seawater splitting
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/d0ee00921k/unauth#!divAbstract
电解水已被认为是产生H2的可持续方法。其由析氧反应（OER）和析氢反应（HER）组成。在实际应用中，兼具HER和OER催化活性的催化剂是非常必要的。虽然已经报道了许多双功能催化剂，但仍有一些关键问题需要进一步解决。IrO2是一种有前途的、广泛应用于工业上的析氧反应的催化剂，但由于其具有较高的氢吸附吉布斯自由能（ΔGH*），因此很少用于析氢反应（HER）。
近日，西安交通大学杨生春教授在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Electrochemically Modifying the Electronic Structure of IrO2 Nanoparticles for Overall Electrochemical Water Splitting with Extensive Adaptability”的论文。Lu Li为本文第一作者。
本文提出通过循环伏安法改变IrO2电子结构的策略。在这个过程中，Ir（+4）被部分还原，痕量Pt同时沉积在IrO2上，这大大降低了ΔGh*，从而加速了反应动力学。低贵金属负载（36.6 μg cm-2（Ir+Pt））制备的Pt-IrO2/CC在0.5 M H2SO4、1 M KOH和1 M磷酸盐缓冲溶液中的过电位分别为5、22和26 mV，在10 mA cm-2下表现出优异的HER活性，这使得构建一个全IrO2基电解槽成为可能。Pt–IrO2/CC | | IrO2/CC对在pH-通用条件下以及天然海水中具有良好的活性和稳定性。密度泛函理论计算表明，优化后的IrO2电子结构平衡了ΔGh*，大大提高了其性能。
文章链接：
Electrochemically Modifying the Electronic Structure of IrO2 Nanoparticles for Overall Electrochemical Water Splitting with Extensive Adaptability
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202001600
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