巩金龙团队Nature子刊：太阳能海水分解新突破！

成果速览

本研究开发了一种新型的硅光电极，该电极表面覆盖有TiO2/不锈钢双层结构，用于太阳能驱动的海水分解。通过在不锈钢和TiO2的协同作用下，实现了高效的氧气进化反应和对海水中腐蚀性离子的阻隔。

实验结果显示，该光电极在含有氯离子的碱性电解液中稳定性达到167小时，并且在碱性自然海水中表现出超过50小时的稳定性能，光子转换效率为2.62%。

图文导读

图1：展示了硅光电极的制备过程和结构示意图。通过在异质结硅基底上沉积TiO2和不锈钢薄膜，构建了双层保护层。图中还展示了在模拟AM 1.5 G光照下，HJ-Si/TiO2/SS光电极的光电转换效率（ABPE）曲线。

图2：通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像，展示了HJ-Si/TiO2/SS光电极的形貌和化学状态。图中还展示了不锈钢薄膜在反应前后的元素分布和化学状态变化。

图3：展示了不同不锈钢薄膜厚度对光电极性能的影响。通过电流-电压（J-V）曲线和ABPE曲线，可以看出SS-83样品在含氯碱性电解液中展现出最佳的光电化学性能。

图4：通过稳定性测试和DFT计算结果，分析了Cl-对光电极稳定性的影响。图中还展示了不锈钢薄膜在稳定性测试前后的表面形貌和结构变化。

图5：展示了HJ-Si/TiO2/SS-83光电极在碱性自然海水中的光电化学性能。通过J-V曲线和ABPE曲线，可以看出光电极在自然海水中仍然保持较高的性能。

亮点介绍

1. 创新设计了TiO2/不锈钢双层结构，有效保护硅光电极免受海水中腐蚀性离子的侵害。

2. 通过电化学重构，不锈钢薄膜转化为含铬的NiFe（氧）氢氧化物，显著提升了氧气进化反应的催化活性。

3. 实现了在含氯碱性电解液中长达167小时的稳定性能，以及在碱性自然海水中超过50小时的稳定运行。

4. 达到了2.62%的光子转换效率，为太阳能海水分解提供了高效且稳定的解决方案。

计算模拟

通过密度泛函理论（DFT）计算，研究了Ni1−x−yFexCry(OH)2和Ni(OH)2的氧进化反应（OER）机制。计算了在不同电位下OER中间体的吉布斯自由能，以评估其催化活性。

DFT计算结果表明，Ni1−x−yFexCry(OH)2相比于Ni(OH)2在OER过程中显示出更低的反应能垒，这与实验中观察到的优异的起始电位和ABPE一致。

此外，DFT计算还揭示了Cl−在Ni1−x−yFexCry(OH)2上的吸附能力减弱，有助于抑制腐蚀过程和提高光电极的稳定性。

文献信息

标题：A silicon photoanode protected with TiO2/stainless steel bilayer stack for solar seawater splitting

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-47389-z