董俊才/赵慎龙/陈卓Nature子刊：用于连续光电化学水氧化的半导体-电催化剂纳米界面

从水中获取清洁的氢是一种应对日益增长的能源需求和环境挑战的重要方法。在最近的几十年里，大量的努力已经花费在开发高效和稳定的光/电化学(PEC)水分解系统。一般来说，电解槽具有可扩展性、产量大和在各种情况下稳定性高的优点。然而，电极过大的过电位大大增加了产氢过程所消耗的能量。

相比之下，光化学技术更节能，具有潜在的成本效益，但其间歇性和低能量转换效率严重阻碍了其大规模应用。因此，研究集电化学与光化学两种工艺优点于一体的光电化学技术是非常必要的。

基于此，中国科学院高能物理所董俊才、悉尼大学赵慎龙和北京理工大学陈卓(共同通讯)等人利用界面工程策略，通过结合半导体CdS/CdSe-MoS₂和NiFe层状双氢氧化物(TQ-NiFe)，构建了一种纳米结构的光电化学催化剂。

本文在1 M KOH(pH=13.6)中，在1.5 G光照下，用标准三电极体系评估了TQ-NiFe的PEC性能。测试后发现，引入光后催化剂的电流密度明显增加。在起始电位(E_onset)为0.243 V(定义为达到0.1 mA cm^-2的OER光电流密度所需的电位)时，TQ-NiFe电极出现了急剧增加的阳极光电流，这表明TQ-NiFe电极具有比其他电极更优异的催化活性(TQ和T-NiFe的E_onset分别为0.588 V和0.796 V)。

除了E_onset，催化剂在10 mA cm^-2下的电势(E_j=10)是实现具有10%效率的太阳能-燃料转换装置的另一个关键参数。TQ-NiFe电极在电流密度为10 mA cm^-2时，电位仅为1.001 V，这明显小于TQ(1.34 V)和T-NiFe(1.57 V)。

此外，由于有MoS₂保护层，TQ-NiFe电极的稳定性也得到了提高。MoS₂保护层保护了溶液中的CdS在光照下免受光腐蚀，并促进了CdSe层中光生空穴的积累，从进一步向外转移。在类似条件下，本文还将TQ-NiFe电极与其他CdS基光电催化剂的OER性能进行了比较，证实了TQ-NiFe电极具有优异的OER性能。更重要的是，在0.2 V的过电位下，TQ-NiFe光电极产生的电流密度(15mA cm^-2)在长期测试(100小时)后仍保持95%。

在PEC性能测试后，本文还研究了制备的催化剂在1 M KOH溶液(pH=13.6)和高电压下的OER性能。在照明下，由于光电流的贡献，TQ-NiFe达到10 mA cm^-2的电流密度的电位低于理论电位(1.23 V)。与传统的PEC催化剂相比，TQ-NiFe在高阳极电位下表现出显著增加的电流密度。在光照条件下，TQ-NiFe的电流密度在1.65 V时从42.1增加到118.2 mA cm^-2，增加了2.81倍，并且在1.75 V时从103.9增加到463.8 mA cm^-2，增加了4.46倍。

此外，本文的气相色谱结果证实，在1.43 V(200 mV的过电位)下，催化剂生成O₂的法拉第效率约为99.7%。随着电势的增加，本文催化剂在光照下大幅增加的电流密度已经远远超过了传统的光电流。此外，本文的实验结果还表明，在较低的阳极电位下，光通过形成更多的Ni^3+/4+活性物质，从而大大加快了OER动力学，从而导致催化剂具有较低的Tafel斜率和活化能。总之，本文的工作为PEC催化体系的开发提供了一条新的途径。

A Semiconductor-Electrocatalyst Nano Interface Constructed for Successive Photoelectrochemical Water Oxidation, Nature Communications, 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-38285-z.

https://www.nature.com/articles/s41467-023-38285-z.