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新型镍基电催化剂实现高效电解水制氢

时间：2024-06-03 来源：浏览：

新型镍基电催化剂实现高效电解水制氢

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氢是解决能源危机和气候变化挑战的重要能源载体，光电化学（PEC）水分解是通过太阳能产氢气的重要方法。然而，实现高效、稳定且可扩展的光电化学水分解系统仍面临着挑战。

韩国蔚山国立科学技术研究所的Hankwon Lim等人报道了一种新型的全钙钛矿（FAPbI3）光负极，通过将其封装在镍（Ni）箔上并负载镍铁氢氧化物（NiFeOOH）电催化剂，对FAPbI3层进行了有效保护，防止水分渗透，从而提高了光负极的稳定性，实现了高效、稳定和可扩展的性能。在该项研究中使用FAPbI3作为光吸收层，制备了玻璃/FTO/TiO2/FAPbI3/Spiro-OMeTAD/金的多层n-i-p结构器件。研究人员为了开发出可以浸入水中的FAPbI3光负极，在FAPbI3薄膜上贴上了厚度约为25 μm的Ni箔，以完全阻挡电解质的渗透。通过滴注镍和铁前驱体溶液在Ni箔上沉积作为析氧反应（OER）助催化剂的NiFeOOH，以制备金属封装的FAPbI3（NiFeOOH/Ni/FAPbI3）光负极。这种NiFeOOH/Ni电催化剂由于其较低的Tafel斜率表现出较低的电荷传输电阻。在这项研究中，采用了一种三电极装置来测试NiFeOOH/Ni/FAPbI3光负极在1 M KOH溶液中的光电化学水氧化性能。实验结果显示，在电位为1.23 VRHE时，NiFeOOH/Ni/FAPbI3光负极的光电流密度（Jph）为22.82 mA cm-2。此外，在电位为0.85 VRHE时，使用气相色谱法（GC）对NiFeOOH/Ni/FAPbI3光负极产生的气体进行了定量分析。结果显示，经过1小时后，产生的氢气（H2）和氧气（O2）的法拉第效率（FE）大于97%，并且持续生成的O2和H2的摩尔比为1:2，且没有衰减迹象。这些结果表明，观测到的光电流主要是由水分解反应引起的。在太阳光持续光照下，光负极在水溶液中可以稳定地保存了3天，没有任何降解迹象，这证实了水完全没有渗透到FAPbI3层中。研究人员还通过将NiFeOOH/Ni/FAPbI3光负极与另一个FAPbI3光伏电池并联，证明了无辅助太阳能H2的产生，测得的太阳能转化为氢气（STH）效率为9.8%。此外研究人员还通过增大单元电池尺寸、增加电池数量（多电池方法）和增加反应器数量（多反应器方法），将NiFeOOH/Ni/FAPbI3光负极的面积从0.25平方厘米扩大到123.2平方厘米（扩大了500倍），但STH效率并未大幅降低（低于15%）。

图 1 NiFeOOH/Ni/FAPbI ₃ 光负极和基于全有机 - 无机金属卤化物包晶的光电化学微型模块

本项研究通过应用FAPbI3制备了一种光负极，用于光电化学水分解，并用负载了NiFeOOH电催化剂的镍箔对其进行了封装稳定。通过模拟1个太阳光照条件，在1.23 VRHE（标准氢电极还原电压）的电位下，NiFeOOH/Ni/FAPbI3光负极显示出了22.82 mA cm-2的高光电流密度。此外，在反电极电位为0.728 V的条件下，记录到了应用偏置光子对电流效率（ABPE）为7.24%。这些数据说明NiFeOOH/Ni/FAPbI3光负极具有优异的光电化学性能，能够在光照条件下高效地转化光能为电流。相关研究成果发表在《Nature Energy 》。

（廖明月汤匀）

文献来源：Hansora D, Yoo J W, Mehrotra R, et al. All-perovskite-based unassisted photoelectrochemical water splitting system for efficient, stable and scalable solar hydrogen production. Nature Energy, 2024, DOI: 10.1038/s41560-023-01438-x.

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