近日，化工学院肖静冉（学术教授）、王博（教授）等人在光电催化水分解领域取得最新进展，相关成果以“Enabling high low-bias performance of Fe₂O₃ photoanode for photoelectrochemical water splitting”为题发表在国际知名学术期刊Journal of Colloid and Interface Science上（中科院一区Top，影响因子：9.9）。

研究背景

Fe₂O₃光阳极具有高的理论光制氢效率和光化学稳定性，在光电化学（PEC）水分解领域具有潜在的应用前景。除了自身导电性差导致的电荷转移效率低和光电流密度低以外，Fe₂O₃高密度的表面态还引起了费米钉扎效应，导致其高度依赖偏置电压，开启电位V_on约为0.8-1.0 V vs. RHE，严重限制了其光制氢效率。常规掺杂手段（如Ti）往往可通过提高导电率提高光电流密度，但同时引入更多表面态，进一步提高V_on。表面钝化层和助催化剂可有效降低V_on，但其对Fe₂O₃光电流密度的提升效果与Fe₂O₃本身性能紧密相关。探索高性能无掺杂的Fe₂O₃纳米光阳极的制备手段，是获取低偏压下高性能Fe₂O₃基光阳极的关键。

成果介绍

通过水热制备FeOOH作为前体制备Fe₂O₃光阳极。研究发现，通过调节水热过程中乙酸钠的添加浓度可控制FeOOH前体的生长方向，从而调控Fe₂O₃电极的形貌。通过促进FeOOH的径向生长，所制备的Fe₂O₃电极呈独立分布的纳米棒状而不是常规的纳米珊瑚状。该纳米棒状FeOOH在煅烧过程中可抵抗高温烧结，不会发生纳米结构的坍塌和合并。而常规纳米珊瑚状Fe2O3膜层增厚时，纳米结构发生合并，使空穴传输距离增加，从而降低了电荷分离效率，从而造成了光吸收和电荷分离效率之间的权衡。与珊瑚状状相比，纳米棒状Fe₂O₃在1.0 V vs. RHE偏压下光电流密度提高到了0.84 mA cm^-2，V_on降低了50 mV。通过溶剂热后处理和NiOOH/FeOOH助催化剂修饰，光电流密度进一步提高到1.36 mA cm-2，V_on值降低到0.50 V vs. RHE，ABPE效率达到了0.45%。本工作为制备低偏压下高性能的Fe₂O₃光阳极提供了方法。

该研究成果得到福建省自然科学基金面上项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.11.134