從水中獲取清潔的氫是一種應(yīng)對日益增長的能源需求和環(huán)境挑戰(zhàn)的重要方法。在最近的幾十年里，大量的努力已經(jīng)花費(fèi)在開發(fā)高效和穩(wěn)定的光/電化學(xué)(PEC)水分解系統(tǒng)。一般來說，電解槽具有可擴(kuò)展性、產(chǎn)量大和在各種情況下穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。然而，電極過大的過電位大大增加了產(chǎn)氫過程所消耗的能量。

相比之下，光化學(xué)技術(shù)更節(jié)能，具有潛在的成本效益，但其間歇性和低能量轉(zhuǎn)換效率嚴(yán)重阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，研究集電化學(xué)與光化學(xué)兩種工藝優(yōu)點(diǎn)于一體的光電化學(xué)技術(shù)是非常必要的。

基于此，中國科學(xué)院高能物理所董俊才、悉尼大學(xué)趙慎龍和北京理工大學(xué)陳卓(共同通訊)等人利用界面工程策略，通過結(jié)合半導(dǎo)體CdS/CdSe-MoS₂和NiFe層狀雙氫氧化物(TQ-NiFe)，構(gòu)建了一種納米結(jié)構(gòu)的光電化學(xué)催化劑。

本文在1 M KOH(pH=13.6)中，在1.5 G光照下，用標(biāo)準(zhǔn)三電極體系評估了TQ-NiFe的PEC性能。測試后發(fā)現(xiàn)，引入光后催化劑的電流密度明顯增加。在起始電位(E_onset)為0.243 V(定義為達(dá)到0.1 mA cm^-2的OER光電流密度所需的電位)時，TQ-NiFe電極出現(xiàn)了急劇增加的陽極光電流，這表明TQ-NiFe電極具有比其他電極更優(yōu)異的催化活性(TQ和T-NiFe的E_onset分別為0.588 V和0.796 V)。

除了E_onset，催化劑在10 mA cm^-2下的電勢(E_j=10)是實(shí)現(xiàn)具有10%效率的太陽能-燃料轉(zhuǎn)換裝置的另一個關(guān)鍵參數(shù)。TQ-NiFe電極在電流密度為10 mA cm^-2時，電位僅為1.001 V，這明顯小于TQ(1.34 V)和T-NiFe(1.57 V)。

此外，由于有MoS₂保護(hù)層，TQ-NiFe電極的穩(wěn)定性也得到了提高。MoS₂保護(hù)層保護(hù)了溶液中的CdS在光照下免受光腐蝕，并促進(jìn)了CdSe層中光生空穴的積累，從進(jìn)一步向外轉(zhuǎn)移。在類似條件下，本文還將TQ-NiFe電極與其他CdS基光電催化劑的OER性能進(jìn)行了比較，證實(shí)了TQ-NiFe電極具有優(yōu)異的OER性能。更重要的是，在0.2 V的過電位下，TQ-NiFe光電極產(chǎn)生的電流密度(15mA cm^-2)在長期測試(100小時)后仍保持95%。

在PEC性能測試后，本文還研究了制備的催化劑在1 M KOH溶液(pH=13.6)和高電壓下的OER性能。在照明下，由于光電流的貢獻(xiàn)，TQ-NiFe達(dá)到10 mA cm^-2的電流密度的電位低于理論電位(1.23 V)。與傳統(tǒng)的PEC催化劑相比，TQ-NiFe在高陽極電位下表現(xiàn)出顯著增加的電流密度。在光照條件下，TQ-NiFe的電流密度在1.65 V時從42.1增加到118.2 mA cm^-2，增加了2.81倍，并且在1.75 V時從103.9增加到463.8 mA cm^-2，增加了4.46倍。

此外，本文的氣相色譜結(jié)果證實(shí)，在1.43 V(200 mV的過電位)下，催化劑生成O₂的法拉第效率約為99.7%。隨著電勢的增加，本文催化劑在光照下大幅增加的電流密度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的光電流。此外，本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，在較低的陽極電位下，光通過形成更多的Ni^3+/4+活性物質(zhì)，從而大大加快了OER動力學(xué)，從而導(dǎo)致催化劑具有較低的Tafel斜率和活化能?？傊?，本文的工作為PEC催化體系的開發(fā)提供了一條新的途徑。

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.