高活性晶面调控Fe2O3纳米材料的光电制氢性能及其器件研究

Controlling material exposed active crystal is one of the important means to improve the catalytic performance. This project is intended to fabricate the abundant elements Fe oxides. With proper surface and crystal structure controlling, we believe active facets exposure are able to be further increased and manipulated to eventually realize high-performance photoelectrodes in solar water splitting. By studying the electron-hole generation, separation, transport and surface reaction kinetics at active crystal facets, we attempt to explore into the mechanism of water splitting at these crystal planes in hope of gaining valuable insight which might help to guide the exploration and design of new photoelectrodes. On this basis, further attention will be given to photoelectrochemical water splitting device development and integration, where p-type photocathode and n-type photoanode will be evaluated as a whole system, hopefully to provide both experimental and theoretical foundation for future investigation in high-efficiency and stable water cleavage material design.

调控材料暴露的活性晶面是提高催化性能的重要手段之一。本项目拟通过制备丰产 Fe2O3纳米材料，利用改变形貌，暴露更多的活性晶面，研究活性晶面 Fe2O3光电极材料光生电子空穴的产生、分离、运输、表面反应等动力学过程的影响机理，评价和证实高活性晶面调控 Fe2O3 光电制氢性能；并以p-型半导体材料为阴极材料，开展光电化学分解水制氢及器件的探索研究，构建新型光电化学分解水制氢体系，为高效稳定光电催化分解水材料的设计与光催化制氢技术应用提供理论基础和实验依据。

随着能源危机的提出及环境污染问题的恶化，人类社会对新型可再生能源的需求与日俱增。光电催化制氢作为一种能够在室温条件下利用太阳能直接将水裂解为氢气和氧气的能源转化方法，近些年来逐渐成为能源转化领域的宠儿。然而在目前绝大部分光电解水的太阳能转化效率受到光电极表面缓慢的析氧速率的严重制约。因此，如何设计并合成出新型光电极材料是该目前该研究领域的瓶颈之一。本项目针对太阳能高效光解水纳米电极材料的可控制备和光电化学池器件设计及研制这一关键科学问题进行原创性研究。.主要科学发现如下：.（1）创新性地发展了一种利用双向掺杂的策略，在 Fe2O3 中共同掺入 C 和 Ti 并负载 CoOOH 产氧催化剂克服了氧化铁光阳极自身的缺陷，并极大地提升了其光解水性能。伟高效光电材料地可控制备提供了新方法。.（2）发现并构筑具有新型形貌的 Fe-MOF 催化材料。并深入研究其作用机制。在此基础上进一步实现了氧化铁催化材料的制备及其器件制备。. 资助期内研究进展顺利，国际知名学术刊物上发表 21706295 标注的 SCI 收录论文 26 篇（项目负责人作为第一作者和通讯作者），其中 IF>10.0 的论文 6 篇；4 篇论文入选 ESI-Highly Cited Papers. 封面论文 5 篇。. 科学意义：本项目阐明了光催化剂纳米材料的形貌、结构、成分等与导电性能及光催化性能的相互作用关系，进而设计和制备出几种高效稳定的光催化纳米材料，并研制出高效稳定的 PEC 光解水制氢系统，为新型纳米光催化材料的设计与制备和太阳能利用与氢能技术发展提供科学基础。研究成果增进了环境和能源纳米材料的物理与化学知识。