A Synergic Effect of Bi-metallic Layered Hydro-Oxide Cocatalyst on 1-D TiO2 Driven Photoelectrochemical Water Splitting  

雙金屬層狀氫氧化物助催化劑在一維TiO?驅動的光電化學水分解中的協同效應  

來源：Journal of Asian Ceramic Societies, Volume 11, 2023, Pages 424-435

《亞洲陶瓷學會雜志》第11卷，2023年，頁碼424-435

 

摘要內容

 

研究通過水熱法合成一維TiO?納米棒（TiO? NRs），并采用光輔助電沉積技術負載Fe-Ni雙金屬氫氧化物（FeNiOOH）助催化劑，顯著提升光電化學（PEC）水分解性能。優化后的TiO?/FeNiOOH光陽極在1.23 V vs RHE（AM 1.5 G光照）下光電流密度達1.36 mA cm?2，是裸TiO?（0.69 mA cm?2）的2倍。其入射光子-電流轉換效率（IPCE）達87.8%，光電轉換效率為0.93%。氣體產物分析顯示H?和O?的法拉第效率分別為90%和70%，證實高效全水分解。性能提升歸因于FeNiOOH的協同作用：增強光吸收（帶隙從3.10 eV降至2.91 eV）、加速電荷分離并降低界面電荷轉移阻力。  

 

研究目的

解決TiO?光陽極電荷復合嚴重和析氧反應（OER）動力學緩慢的問題。  

 

開發高效雙金屬助催化劑（FeNiOOH）提升PEC水分解性能。  

 

闡明FeNiOOH與TiO?的協同作用機制。  

 

研究思路

材料制備：  

 

水熱法生長一維TiO?納米棒（圖1）。  

 

 

光輔助電沉積FeNiOOH助催化劑（優化沉積時間：180 s）。  

性能優化：  

 

通過沉積時間調控催化劑負載量，確定180 s為最佳條件。  

機制解析：  

 

結合形貌、光譜、電化學表征（圖2-7）揭示能帶調控與電荷分離機制。  

 

 

 

 

 

 

 

測量數據及研究意義

形貌與結構數據（圖2-4）  

 

數據：SEM/TEM顯示FeNiOOH均勻包覆TiO?納米棒（厚度約幾納米），EDS證實Fe/Ni元素分布（圖3）。  

 

意義：證實催化劑成功負載且未破壞TiO?結構，為高活性位點暴露提供基礎。  

光學與表面性質數據（圖5）  

 

數據：UV-Vis顯示吸收邊紅移（420 nm→435 nm），帶隙從3.10 eV降至2.91 eV；XPS證實Fe3?/Ni2?-Ni3?價態及羥基氧存在。  

 

意義：帶隙減小增強光生載流子濃度，羥基氧促進OER反應動力學。  

PEC性能數據（圖6）  

 

數據：光電流密度提升至1.36 mA cm?2（圖6a），IPCE達87.8%（圖6b），EIS顯示電荷轉移電阻降低（圖6d）。  

 

意義：FeNiOOH加速界面電荷轉移，抑制電子-空穴復合。  

能帶結構數據（圖7）  

 

數據：Mott-Schottky測試表明平帶電位正移（-0.10 V→0.11 V），XPS價帶譜顯示價帶邊上移（2.08 eV→2.38 eV）。  

 

意義：能帶位置優化促進光生空穴向催化劑遷移，增強OER效率。  

氣體產物數據（圖6f）  

 

數據：H?和O?產量摩爾比≈2:1，法拉第效率分別為90%和70%。  

 

意義：直接證明全水分解反應的有效性。  

 

結論

性能突破：FeNiOOH助催化劑使TiO?光電流密度提升97%，IPCE達87.8%。  

 

協同機制：FeNiOOH降低帶隙增強光吸收，優化能帶位置促進電荷分離，加速OER動力學。  

 

穩定性與實用性：4小時穩定性測試保持88.1%活性（圖6e），為低成本PEC器件提供設計策略。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細研究意義

 

研究中采用丹麥Unisense電極（集成壓力傳感器）實時監測PEC反應中的氣體分壓變化（H?/O?），其核心價值在于：  

高精度原位監測：  

 

通過微壓傳感技術（檢測限<0.1%分壓變化）實時追蹤密閉反應體系中氣體生成動力學，直接關聯光電流與氣體產物量（圖6f），排除副反應干擾。  

法拉第效率驗證：  

 

結合電荷量計算，證實90% H?法拉第效率，為"有效電子用于產氫"提供直接證據，區別于僅依賴光電流的間接推測。  

技術不可替代性：  

 

傳統氣相色譜需取樣分析且時間分辨率低（分鐘級），而Unisense電極實現秒級響應，精準捕捉瞬態氣體釋放行為（如光照開啟/關閉時的脈沖產氣），為反應動力學研究提供關鍵動態數據。