科學研究

李書濤:疊氮化物分子介導的電解質工程用于選擇性光電化學偶氮偶聯和高效穩定的水分解【JMCA,2022】
2022-09-19 閱讀:6240

光電化學(PEC)水分解技術可以有效地將太陽能轉化為綠色可持續的氫能,是獲得清潔能源最有應用前景的方式之一。 PEC技術發展的關鍵是制備高效穩定的光電極材料,以實現高的太陽能轉換效率。BiVO4 具有合適的帶隙 (2.4–2.5 eV)、足夠正的價帶位置用于水氧化,以及較大的理論最大光電流密度 (7.5 mA cm-2),使其成為最有發展前景的光陽極之一,因此,受到了廣泛的研究關注。然而,BiVO4 的體相電荷和界面光生電荷復合嚴重,導致其光電轉換效率低和嚴重的光腐蝕。傳統的增強光陽極PEC性能的方法多為材料改性,如用析氧助催化劑修飾光陽極等等。然而材料改性的方法,往往需要對光陽極進行精細化的修飾,涉及到復雜的改性工藝,這無疑增加了光陽極的制備成本。

針對以上問題,我校材料科學與工程學院博士生李書濤在黃洪偉教授和張以河教授指導下,巧妙的利用疊氮化物的分子結構,將其作為電解質成分,實現了選擇性的PEC光電化學偶氮和高效穩定的水分解。這一工作的創新之處如下:

1. 電解液組分設計—巧妙通用的策略

5-氨基四氮唑(5AT)是一種疊氮化物分子,在pH>4的電解液環境中其可以作為PEC偶氮反應的底物生成高能鹽;而當電解液pH<45-氨基四氮唑分子的氨基官能團質子化,因此PEC偶氮反應完全被抑制,使得5-氨基四氮唑作為液相助催化劑大大提高了 BiVO4 光陽極的 PEC水分解性能。同時,這種電解質改性策略具有普遍性,對α-Fe2O3TiO2光陽極的PEC水分解性能也有明顯的促進,這為提高光陽極的 PEC 性能提供了新的視角。

2.卓越的PEC水分解性能高性能

在沒有析氧助催化劑修飾的情況下,僅通過聚苯胺鈍化的BiVO4 1.23 VRHE下的光電流密度為 4.22 mA cm-2,起始電位為 0.34 VRHE,并且在 4 小時內保持穩定的光電流密度。此外,5AT/NaVO3/Na2SO4三元電解質溶液的制備使 聚苯胺鈍化的BiVO41.23 VRHE 時的光電流密度為 5.1 mA cm-2,起始電位為 0.27 VRHE,并且在10小時內具有穩定的PEC水氧化性能。

3. 電解質成分協同促進PEC水分解—反應機制探究

質子化的 5-氨基四氮唑作為相助催化劑,降低了光生空穴注入電解質溶液中的勢壘,增強了界面電荷的動力學。 NaVO3 的添加進一步促進了光生電荷(體電荷和界面電荷)的分離,并創造了一個飽和的V5+ 環境,進一步提高了光陽極的PEC水分解性能和穩定性。



圖1 疊氮化物分子介導的電解質工程應用于在聚苯胺鈍化的 BiVO4 光陽極上進行選擇性光電化學偶氮反應和高效穩定的水分解的示意圖

 



圖2 BiVO4在不同pH值的5AT/Na2SO4電解質溶液中的(a)線性伏安曲線和(b)時間-光電流曲線(1.23 VRHE)。5AT/Na2SO4在(c) pH=3.2和(d) pH=6下PEC反應前后的紫外-可見吸收光譜。(e) pH決定的PEC偶氮反應和(f) PEC水分解的示意圖

  



圖3  BiVO4和聚苯胺修飾的BiVO4在5AT/NaVO3/Na2SO4電解質溶液中的光電化學表征。 (a) 光電流-偏壓曲線和 (b)在 1.23 VRHE下10 小時的時間-光電流曲線; (c) 電荷分離效率和 (d) 電荷注入效率


上述研究成果發表于材料領域國際權威期刊《Journal of Materials Chemistry A》上:Shutao Li, Min Li, Fang Chen, Hongwei Huang*, Azide molecule mediated electrolyte engineering for selective photoelectrochemical azo coupling and efficient and stable water splitting, Journal of Materials Chemistry A, 10 (2022) 16646-16654. [IF2020=14.511]

全文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202108350


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