【催化】更高效的光电分解水方法——磁场辅助光电化学分解水- 大数跨境

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2021-01-31

导读：西南科技大学何辉超副教授团队联合南京大学周勇教授、中南大学杨华明教授提出了一种新型高效的光电分解水方法——磁场辅助光电分解水。

光电化学分解水主要利用半导体光电极特性把太阳能转化为氢能。光电化学分解水反应原理可概括为：半导体光电极在太阳光激发作用下产生光生电子和空穴，部分光生电子和空穴经过外加偏压驱动分离，在电解池阳极上实现水氧化反应，同时在阴极实现质子还原反应。因此，提高光电化学分解水反应效率最根本的策略就是：尽可能地抑制半导体光电极的光生电子-空穴对复合，促使其更多地参与水分解反应。总的来说，半导体载流子复合主要包括辐射复合和非辐射复合。值得注意的是，在光电化学分解水过程中，半导体光电极上施加偏压主要目的是调控光电极载流子的辐射复合，不过光电极载流子的非辐射复合易被忽视。

受施加偏压抑制半导体光电极载流子辐射复合的启发，近日西南科技大学何辉超副教授团队联合南京大学周勇教授、中南大学杨华明教授提出了一种新型高效的光电分解水方法——磁场辅助光电分解水。通过外加磁场抑制半导体光电极载流子的非辐射复合，实现更高效的太阳能分解水制氢反应，相关工作近期发表在ACS Catalysis。

图1. 磁场辅助光电化学分解水示意图

为验证磁场辅助提升半导体光电极分解水活性的普适性，该工作系统探究了磁场对BiVO₄、α-Fe₂O₃光阳极以及Cu₂O/CuO、p-Si(111)光阴极材料的作用效果（见图2a至2f）。测试结果发现，在合适的磁场作用下，光阳极和光阴极的载流子分离效率显著提高，但因磁阻效应光电极载流子的注入效率轻微减弱。经过系统的热力学（光吸收性质、水吸附性质）和动力学（电化学活性面积、动力学宏观速度、动力学微观反应途径）因素排除研究，同时基于PL光谱研究，磁场提升BiVO₄、α-Fe₂O₃、Cu₂O/CuO、p-Si(111)光电极分解水反应活性的根本原因确定为：磁场存在会引起光电极中产生洛伦兹力，弱化光电极载流子的非辐射复合（见图3a至3f）。

图2. 有无磁场时BiVO₄、α-Fe₂O₃、Cu₂O/CuO、p-Si(111)光电极分解水活性对比

图3. 不同磁场强度下BiVO₄、α-Fe₂O₃、Cu₂O/CuO、p-Si(111)光电极PL光谱及反应活性变化。

该研究提出的磁场辅助光电化学分解水方法普适简便，除对光电分解水反应有效果外，对其他的光电化学反应也有类似作用效果，为实现高效光电化学分解水反应，以及其他光电化学反应提供了方法及理论参考。该研究文章第一作者是西南科技大学硕士研究生杨茜，通讯作者为西南科技大学何辉超副教授、南京大学周勇教授和中南大学杨华明教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Magnetic Field-Assisted Photoelectrochemical Water Splitting: The Photoelectrodes Have Weaker Nonradiative Recombination of Carrier

Qian Yang, Jinyan Du, Xiaoqin Nie, Dingming Yang, Liang Bian, Long Yang, Faqin Dong, Huichao He*, Yong Zhou*, and Huaming Yang*

ACS Catal., 2021, 11, 1242–1247, DOI: 10.1021/acscatal.0c05436

研究团队介绍

西南科技大学-太阳能碳氢燃料化材料研究团队，隶属于西南科技大学-环境友好能源材料国家重点实验室，团队负责人何辉超副教授。团队主要针对太阳能碳氢燃料化过程，开展材料表界面反应机理、反应活性调控，以及新反应扩展等基础研究。近五年来，在国家自然科学基金、中国博士后科学基金、四川省科技厅科研项目、环境友好能源材料国家重点实验室自主课题联合资助下，团队在Chemical Society Review、ACS Catalysis、Nano Today、Journal of Physical Chemistry Letters、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Communications、Inorganic Chemistry、Green Chemistry等学术期刊发表相关研究论文30余篇，获授权发明专利5项。

导师介绍

何辉超

https://www.x-mol.com/university/faculty/88790

周勇

https://www.x-mol.com/university/faculty/63378

杨华明

https://www.x-mol.com/university/faculty/66300