韩国全南国立大学：新型多层电极用于海水光电化学制氢

Multilayer Strategy for Photoelectrochemical Hydrogen Generation: New Electrode Architecture that Alleviates Multiple Bottlenecks

Selvaraj Seenivasan, Hee Moon & Do-Heyoung Kim*

Nano-Micro Letters (2022)14: 78

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00822-8

首先对制备的Bi₂S₃和Bi₂S₃/NiS进行了XRD分析。结果表明两者符合正方体铋石结构，没有任何杂质相且高度结晶。使用XPS分析了Bi₂S₃/NiS/NiFeO光阳极的表面组成。值得注意的是Ni 2p光谱，它表明大部分的Ni原子处于+2 氧化态，且有少部分Ni³⁺离子在NiFeO助催化剂层中共存。此外，对比了Bi₂S₃和Bi₂S₃/NiS的紫外-可见吸收光谱，由于Bi₂S₃固有的窄带隙，这两种光阳极在整个可见波长范围内表现出强烈的光吸收。光吸收有轻微的增加，这并没有因为增加NiS纳米壳的厚度而明显改变，因为与Bi₂S₃的核心宽度相比，纳米壳的厚度可以忽略不计。为了进一步确认NiS相的存在，对FTO/NiS进行了详细的物理表征， Bi₂S₃和Bi₂S₃/NiS的直接允许转换的Tauc图显示带隙约为1.32 eV， NiS的Tauc图表明带隙约为1.01 eV，这是NiS的固有特性。

II 光电化学性能

该工作通过线性偏置区间的PEIS测量，研究了电荷载体动力学。且通过使用等效电路拟合数据，发现Bi₂S₃在整个电位窗口显示出最高的Rct。这一结果突出了Bi₂S₃表面的高密度表面缺陷，这导致了高电荷重组。J-V曲线结果表明，Bi₂S₃/NiS阳极受到界面上SS的严重影响，这减弱了在较低电位下形成n-p结的优势。TRPL光谱法被用来确定硫化铋中n-p结形成前后的激发载流子的寿命。综合结果证实了PEC性能的增强是由于形成了一个具有必要成分(n-p结、助催化剂和钝化层)的多层结构。

IV 整合电催化和光电化学系统，实现无贵金属水分解

图5. (a) Bi₂S₃/NiS/NiFeO和Bi₂S₃/NiS/NiFeO/TiO₂光阳极在截波照明下的J-T曲线；(b) Bi₂S₃/NiS/NiFeO/TiO₂光阳极的HR-TEM图像；(c) 添加TiO₂缓冲层前后的J-V曲线；(d，e) 双电极PEC-EC电池配置，Bi₂S₃/NiS/NiFeO/TiO₂和NiS分别作为阳极和阴极；(f) PEC-EC电池的J-V曲线和(g) J-T曲线，(h) 电流密度为10 mA cm⁻²时的实验性H₂演化比较。

最后，使用相同的双电极H型电池设置，以0.5 M的Na₂SO4作为支持电解质(pH值~7.5)进行了海水分解实验。海水分解的光电流达到了10.44 mA cm⁻²。在10 mA cm⁻²的电流密度下，光电解实验可以连续进行4小时，且在光解过程中，电池电压保持没有任何增加，这表明TiO₂钝化层的作用很好。实验结果证明了多层策略的有效性，未来将扩大利用革命性的纳米壳结构改善界面主导的电化学过程，助力合理设计和开发用于能源转换和储存的电极。

图6. (a)集成式PEC-EC电解池在海水电解液中的J-V曲线；(b) 在光电解条件下测量的电池电压；(c) 在10 mA cm⁻²的电流密度下实验性的H₂和O₂演化与计算出的法拉第效率的比较；(d) Bi₂S₃/NiS/NiFeO/TiO₂光阳极在4小时光电解后的HR-SEM图像和(e) XPS谱图。