大连理工大学侯军刚Angew.：调控“空穴传输层”促进光电化学水氧化

通讯作者：侯军刚

通讯单位：大连理工大学

半导体光阳极的研制对光电化学水分解的实现具有重要的现实意义。

近日，大连理工大学侯军刚教授课题组将零维(0D) MXene量子点(MQD)或二维(2D) MXene纳米片(MN)接枝到BiVO4衬底上，再结合超薄羟基氧化物作为析氧共催化剂(OEC)构建MoOx层作为一种有前途的集成光阳极，提高集成光电阳极的PEC性能。

图1. (a) 光电化学分解水装置的集成配置。(b) MoOx/MQD为空穴传输层，氢氧化物为析氧助催化剂的OEC/MoOx/MQD/BiVO4阵列的溶液处理过程。

相关工作以“Engineering MoOx/MXene Hole Transfer Layers for Unexpected Boosting Photoelectrochemical Water Oxidation”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。

图2.(a，b) MoOx/MQD/BiVO4和(c，d) MoOx/MN/BiVO4的SEM顶部(a，c)和横断面(b，d)图。(e) BiVO4，(f) MQD，(g) MQD/BiVO4，(h) MoOx/MQD/BiVO4的TEM。(i) MoOx/MQD/BiVO4和(j) MN/BiVO4的HR-TEM。(k) MoOx/MQD/BiVO4的元素分布。

要点1. OEC/MoOx/MQD/BiVO4阵列不仅在1.23 V电压下(vs. RHE)的电流密度达到5.85 mA cm-2，而且提高了光稳定性。

要点2. 电化学分析和密度泛函理论(DFT)计算表明，MoOx/MQD作为空穴传输层，延缓了电荷的复合，促进了空穴传输，加速了水的分解动力学，显著提高了PEC的水氧化活性。

这一原理证明工作不仅展示了空穴转移层的潜在应用，而且为合理设计和制造可行的太阳能转换集成光阳极提供了依据。

图3. (a, b, c) BiVO4、MQD/BiVO4、MoOx/MQD/BiVO4、NiFeOOH/MoOx/MQD/BiVO4光阳极在AM 1.5 G模拟阳光(100 mW cm-2)下，与MN/BiVO4、MoOx/MN/BiVO4和NiFeOOH/MoOx/MN/BiVO4光阳极在0.5 M KBi电解质(pH=9.3)下的J-V曲线比较。(d) BiVO4、MQD/BiVO4、MoOx/MQD/BiVO4、NiFeOOH/MoOx/MQD/BiVO4光阳极的IPCE和(e) ABPE值。(f) 比较NiFeOOH/MoOx/MQD/BiVO4光电阳极与之前报道的基于BiVO4的光电阳极的ABPE值。

图4. (a) BiVO4和NiFeOOH/MoOx/MQD/BiVO4光阳极在AM 1.5 G光照下(100 mW cm-2)在1.23 V vs. RHE下的光电流密度稳定性。(b) 根据1.23 V/RHE下的J-t曲线获得的理论电荷数和NiFeOOH/MoOx/MQD/BiVO4光电阳极的H2和O2实际演化量。(c, d) BiVO4和NiFeOOH/MoOx/MQD/BiVO4光电阳极的电荷转移过程插图。

图5. BiVO4、MQD/BiVO4和MoOx/MQD/BiVO4的化学吸附模型(a)和对应的吉布斯自由能(b, c, d)。

链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202200946