第一作者：安阳
通讯作者：闵宇霖，张侃
通讯单位：上海电力大学，南京理工大学
论文DOI：10.1021/acsenergylett.4c00282
光电化学水分解被认为是将可持续太阳能转化为氢能的有效技术，但目前仍受困于水氧化动力学缓慢、阳极产物价值低和后续气体产物分离等问题。近日，南京理工大学张侃课题组在国际能源顶刊ACS Energy Letters发文，展示了一种可规模化的光电化学池，利用太阳能将水高效率转化为氢气和过氧化氢，以解决上述提到的三个问题。作者采用的CSO/STO/BVO光阳极，可将水选择性氧化为过氧化氢且法拉第效率高达90％。随后，通过将光阳极制作成144 cm2的阵列反应器，展示了该策略的可扩展性，在自然光照射（862 W·m−2）的情况下，实现了工业级别的光电流0.11 A运行值。作者提出的入射角-倾角分析方法，为评估阵列反应器的最佳运行方式以及实现最高的Land-to-Photocurrent效率提供了创新性的思路。
利用可再生太阳能分解水制氢是一项长期技术发展路径，目前正引起极大关注，而主要采用体系有光伏-电化学、光电化学和光催化这三种。除了针对基础科学问题的研究，如光吸收、电荷分离和表面反应等，其进一步商业规模化的展示也有成功的案例。尽管该项技术取得了相当的进展，但仍然存在一些挑战，例如能量转换效率低、产物附加值不足和下游气体分离困难等问题。为此，来自南京理工大学的安阳等和上海电力大学的王瑞琳等，在含有碳酸氢盐的电解液中，利用钒酸铋改性光阳极，实现了将水分解为氢气和过氧化氢的目标，此举不仅可以获得高附加值的阳极产物，还为氢气的分离与提纯提供了便捷。而进一步大规模器件的展示，则证明此技术的可推广性。
1. OER抑制实现了高选择性的水氧化生成过氧化氢
2. 平板阵列光电化学器件设计实现了大面积钒酸铋基光阳极的高太阳能-氢能转化效率
3. 引入Land-to-Photocurrent效率更科学地评估了平板阵列式反应器的运行方式
作者首先通过电沉积和旋涂法制备了CSO/STO/BVO光阳极，并将其组装为大规模的光电化学平板阵列反应池。在对其微观结构进行相应表征后，通过X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜确认了锡酸钙、钛酸锶和钒酸铋三种材料以及其间的层级结构。
图1. a. 144 cm2角度可调的多模块集成阵列平板反应器示意图；b. CSO/STO/BVO光阳极结构示意图；c-d. CSO/STO/BVO光阳极的SEM和TEM图像；e. 高分辨率TEM图像和相应的HAADF-STEM-EDS图谱；f. XRD图谱。
随后，作者通过一系列光电化学测试，计算了改性前后光阳极中光生载流子的迁移效率，同时确认了CSO/STO/BVO中铁电极化的来源，证明了铁电极化效应对载流子迁移效率以及能带结构中平带电位的影响。
图2. a. 光电化学曲线图；b-c. 光生电荷分离及转移效率曲线图；d. 铁滞回线对比图；e. Mott-Schottky曲线及电荷迁移示意图。
最后，作者通过测试阳极过氧化氢及氧气的产量，确定了两种产物在光电化学过程中的法拉第效率，证明了CSO/STO/BVO光阳极表面对四电子水氧化路径的抑制，而相应计算所得的AB-STC转化效率，则评估了器件对太阳能转化为电子的能力。拉曼光谱和旋转环盘电极很好地证明了水氧化过程中呈现竞争关系的两种途径以及过氧化氢的再分解情况。
图3. a. 过氧化氢法拉第效率变化曲线图；b. 过氧化氢与OER产量对比图；c. AB-STC转化效率对比图；d-e. 拉曼光谱即反应机制示意图；f. 旋转环盘电极曲线图。
本文成功展示了一种用于水分解的平板阵列光电化学反应池，实现了高效率、大规模的过氧化氢生成。所提出的平板阵列入射角-倾角设计，为评估反应器运行方式提供了创新性的思路，这种概念验证性的器件可以帮助未来进一步地优化光电化学产业设计。
张侃：南京理工大学材料科学与工程学院教授，国家优秀青年科学基金获得者，江苏省特聘教授。2015年博士毕业于韩国成均馆大学，2015~2017延世大学BK1+研究教授。主要从事光电纳米材料和器件的制备以及反应体系的设计等，先后获批国家自然科学青年基金、面上项目、江苏省青年基金等项目，Chinese Journal of Structural Chemistry期刊编委。至今以第一和通讯作者在Energ. Environ. Sci., Sci. Adv., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., ACS Energy Lett., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater.等期刊共发表学术论文90余篇，他引9000余次，8篇入选 ESI 1%高被引论文，H index为55。
闵宇霖：上海电力大学环境与化学工程学院教授，上海市曙光学者。2007年博士毕业于中国科学技术大学，师从俞书宏院士。主要从事能量转化材料的基础和应用研究，至今以第一和通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B等SCI学术论文80余篇，所发表文章共被引用5000余次。近年来先后主持国家自然科学基金和省级自然科学重大项目。
欢迎关注我们，订阅更多最新消息
“邃瞳科学云”推出专业的自然科学直播服务啦！不仅直播团队专业，直播画面出色，而且传播渠道多，宣传效果佳。
“邃瞳科学云"平台正在收集、整理各类学术会议信息，欢迎学会、期刊、会议组织方择优在邃瞳平台上进行线上直播，希望藉此帮助广大科研人员跨越时空的限制，实现自由、畅通地交流互动。欢迎老师同学们提供会议信息（会有礼品赠送），学会、期刊、会议组织方商谈合作，均请联系王女士：18612651915（微信同）。
投稿、荐稿、爆料：Editor@scisight.cn
