利用太陽光驅(qū)動，直接分解地球上儲量豐富的海水得到H2和O2，被認(rèn)為是生產(chǎn)綠色可再生能源的最有前景的途徑之一。由于海水中大量Cl?所帶來的腐蝕性問題，在光電化學(xué)海水分解領(lǐng)域，光陽極穩(wěn)定性差的問題一直以來都沒有得到解決。
近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院李朝升、鄒志剛團(tuán)隊(duì)探索了光電化學(xué)分解海水過程中OH?和Cl?等離子參與β-Fe2O3表面重構(gòu)的過程，并且利用晶格中的Sn增強(qiáng)金屬-氧相互作用的原理，抑制了過度的表面重構(gòu)，在模擬海水電解液中穩(wěn)定工作3000小時，獲得了目前報道的穩(wěn)定性最好的海水分解光陽極材料。相關(guān)的工作以“Long-term durability of metastable β-Fe2O3 photoanodes in highly corrosive seawater”為題發(fā)表在Nature Communications上。
圖1 Sn/β-Fe2O3光陽極長時間海水分解穩(wěn)定性
在這項(xiàng)工作中，β-Fe2O3光陽極被用作海水分解腐蝕機(jī)理的研究對象。在長時間的海水分解過程中，光陽極表面的氧化物晶格被檢測到在電解液的作用下發(fā)生水合化重構(gòu)，β-Fe2O3轉(zhuǎn)變?yōu)镕eOOH。與此同時，海水中Cl?會參與重構(gòu)，吸附并與金屬原子成鍵，逐步滲透到晶格中。過度的表面重構(gòu)和Cl?的入侵是光陽極穩(wěn)定性被破壞的主要原因。
圖2 光陽極表面重構(gòu)和Cl?腐蝕檢測
論文中提出了晶格中的Sn增強(qiáng)金屬-氧相互作用的原理，Sn的存在顯著增強(qiáng)了M-O鍵的強(qiáng)度，防止反應(yīng)中間體局部高濃度的質(zhì)子對晶格的攻擊，提高了晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。制備的Sn/β-Fe2O3光陽極在長時間反應(yīng)后僅在淺層表面檢測到重構(gòu)的發(fā)生和Cl?的吸附。在模擬海水電解液中工作3000小時后，光電流仍然保持在初始值的96.8%，是目前世界上穩(wěn)定性最高的光陽極材料。此外，該工作對材料在海水中腐蝕機(jī)理的探究，以及在防腐蝕領(lǐng)域的探索也具有重要意義。
圖3 Sn增強(qiáng)金屬-氧相互作用抑制表面重構(gòu)與腐蝕機(jī)理
第一作者：劉昌昊
通訊作者：李朝升、馮建勇
通訊單位：南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-40010-9
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40010-9
該項(xiàng)成果得到了鄒志剛院士、北京航空航天大學(xué)郝維昌教授的支持和幫助。固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和南京大學(xué)環(huán)境材料與再生能源研究中心為本工作的順利開展提供了重要的平臺支持。此外，研究得到了國家杰出青年科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃和江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
