揭秘光电催化全解水反应池的秘密。电压如何影响调控？

2024-03-19 生活常识关注公众号

中国科学院化学研究所章宇超研究员团队通过实验测量两电极光电化学池中偏压分布，首次提出OER不一定是全解水反应的决速步，电极所消耗偏压的大小取决于光电化学池中光阳极的光电压和阴极的费米能级。他们的研究揭示了设计高效全反应光电化学池的方法，并构建了一个仅由Ni/n-Si光阳极和Pt电阴极组成的无偏压光电化学池，在模拟太阳光照射下其光电流达到5.3 ± 0.2mA cm −2。

近十年以来，光电化学全解水反应得到了充分发展，特别是在新型催化剂、表征方法和反应机理方面取得了令人印象深刻的成就。与析氢反应（HER）相比，析氧反应（OER）由于其动力学缓慢而被认为是全解水反应的瓶颈。为了降低阳极偏压，研究人员开发了一系列OER替代反应，包括醇、尿素和氨的氧化等半反应。光电化学的最终目标是构建高效的两电极无偏压电解池。然而，以往的绝大部分研究只关注三电极体系中工作电极的性质，却在很大程度上忽视了对电极上的极化行为。阳极氧化和阴极还原半反应之间的协同作用机制尚不明确。

最近，中国科学院化学研究所章宇超研究员团队提出了一种通过实验测量两电极光电化学池中偏压分布的方法，系统研究了光电化学全解水反应中四种具有代表性的光阳极和Pt阴极之间的偏压分布。

电压分布概念图

光电化学全解水反应池中阴阳极的偏压分布犹如天平的两个托盘，支点便是短路电势

该研究首次提出OER不总是全解水反应的决速步，电极所消耗偏压的大小取决于光电化学池中光阳极的光电压和阴极的费米能级。以Ni/n-Si为模型光阳极的进一步研究表明，通过调节电解液pH和耦合其他半反应均可影响全反应中的电压分布。在此基础上，他们提出了一个用于评估各种半反应之间匹配程度的描述符并绘制了其与短路电势的火山形曲线，揭示了设计高效全反应光电化学池的方法。进一步，他们构建了一个仅由Ni/n-Si光阳极和Pt电阴极组成的无偏压光电化学池，在模拟太阳光照射下其光电流达到5.3 ± 0.2 mA cm

−2。

电压分布测量装置示意图和典型的光电化学全解水反应池中的电压分布性质

(a) 电压分布测量装置示意图。(b–e) 具有不同光阳极的光电化学全解水反应池的电压分布行为和 (f) 相应的活化路径。

该成果于近日在线发表在《国家科学评论》上，论文第一为博士生党昆和刘思勤，通讯为章宇超研究员。

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