yl23455永利官网张蕾教授课题组“构建多孔双壳Z型异质结Fe2O3@Ov-NiFe2O4纳米棒阵列光电阴极:无偏压生产H2O2, Zn-H2O2电池生产NaZnPO4”工作发表在Applied Catalysis B: Environmental
发布时间:2023-06-14 浏览次数:
近日,yl23455永利官网张蕾教授在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Multi-strategy for constructing Z-scheme porous hollow double-shell Fe2O3@Ov-NiFe2O4 nanorods-arrays photocathode: Bias-free synthesis of H2O2, Zn-H2O2 cell and generation of NaZnPO4”的研究论文(DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.122955)。该文章提出将PDS-Fe2O3@Ov-NiFe2O4-HR原位生长在Ti网上,形成Fe2O3@Ov-NiFe2O4纳米棒阵列的一体化光阴极,高效氧还原生产H2O2;构建PDS-Fe2O3@Ov-NiFe2O4-HR-Ti||Fe2O3-Ti光电化学电池,在无偏压下实现阴阳极两极协同生产H2O2;构建PDS-Fe2O3@Ov-NiFe2O4-HR-Ti||Zn可充电Zn-H2O2燃料电池,该电池在KOH电解质中实现能量的转换及存储,在磷酸盐缓冲液电解质中既可实现电能的输出,也保证产H2O2的同时获得高附加值化学品NaZnPO4。
随着工业生产对过氧化氢 (H2O2)的需求量增大,亟待开发环境友好绿色经济的新合成方法。太阳能驱动的光电催化(PEC) 氧还原(ORR) 和水氧化反应 (WOR)生产H2O2是目前最有前途的安全、高效的合成方法之一。其中合成H2O2的关键是开发调节ORR途径的光电催化剂。本篇论文设计了多孔中空双壳结构纳米棒Z-型异质结PDS-Fe2O3@Ov-NiFe2O4-HR光电催化剂,双壳和空心内部的独特结构使材料具有足够的活性界面位点,多孔结构有效的氧气输送能力和更多的氧空位, Fe2O3@ Ov-NiFe2O4形成化学键合界面及强内电场有利于实现ORR。此外,PDS-Fe2O3@Ov-NiFe2O4-HR光阴极与不同的阳极耦合,除产过氧化氢外还可以实现其它化学增值品的生产。
采用原位自组装模板策略,在Ti网上原位生长具有氧空位和化学键界面的多孔中空双壳结构Fe2O3@Ov-NiFe2O4 (PDS-Fe2O3@Ov-NiFe2O4-HR) Z型异质结纳米棒阵列一体化光电阴极 (Scheme 1)。将PDS-Fe2O3@Ov-NiFe2O4-HR-Ti用于光阴极催化氧还原生产H2O2,H2O2的最大生产速率为6.3 mM h-1。高的H2O2生产速率归因于Z型异质界面的快速载流子转移和更强的氧化还原活性;Ov-NiFe2O4中丰富的氧空位提升载流子浓度,化学键界面的构建为高浓度的载流子提供快速的传输路径;中空双壳结构可以实现光在双壳的空间内多次散射和反射,增强光吸收性能;提供大的比表面积,增强表面氧化还原活性和界面电荷分离效率。
将高效的光电阴极PDS-Fe2O3@Ov-NiFe2O4-HR-Ti与光阳极Fe2O3-Ti耦合组成光电化学电池,实现阴阳两极协同生产H2O2, 在 -0.5 V的偏压下两个电极的H2O2总产率为4.07 mM h-1;无偏压条件下,两个电极H2O2的总产率为9.8 μmol min-1 cm-2, 揭示光电催化产过氧化氢机理 (Fig. 1)。
将高效的PDS-Fe2O3@Ov-NiFe2O4-HR-Ti与Zn阳极耦合构建可充电Zn-H2O2燃料电池,一体化电极的制备有利于提升电极的导电性能;变价态Ni2+/Ni3+, Fe2+/Fe3+催化剂组分调控设计有利于增强Zn-H2O2电池的效率,在KOH电解质中开路电压高达1.3 V,功率密度为8.5 mW cm-2;在磷酸盐缓冲液电解质中既可以实现电能的输出,还可以合成高附加值化学品NaZnPO4 (Fig. 2)。
制备的中空双壳Z-型异质结构高效光电阴极PDS-Fe2O3@Ov-NiFe2O4-HR-Ti用于光电催化生产高浓度的H2O2 (152 mM, 24 h)。优异的生产H2O2性能归因于其多孔双壳中空结构可以提高光能利用效率,NiFe2O4外壳的丰富的O空位有利于电子的捕获,NiFe2O4外壳与Fe2O3内壳形成强耦合异质结界面 (Fe-O-Ni)为电子转移提供快速的通道,增强载流子的传输效率。PDS-Fe2O3@Ov-NiFe2O4-HR-Ti光电阴极和Fe2O3-Ti阳极结合组成的PEC体系,在没有施加电压下,可以实现在两个电极上同时产生H2O2 (9.8 μM min-1 cm-2)。PDS-Fe2O3@Ov-NiFe2O4-HR-Ti作为可充Zn-H2O2电池 (以碱性和中性为电解质)的光电阴极具有12 mW cm-2的高功率密度的电能输出和NaZnPO4高价值化学品的生产。本研究为构建中空结构Z型异质结光电阴极提供了一种新的策略,可指导其他光电阴极材料的设计,并为能源相关器件上的多功能光电催化提供了一种可行的策略。
该论文被材料科学,研之成理,Environmental Advances 等学术媒体和交流平台重点推介。
【文章链接】https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122955
【通讯作者简介】张蕾,材料化学博士,二级教授,博士生导师。国务院政府特殊津贴获得者,辽宁省“兴辽英才计划”创新领军人才(辽宁特聘教授),辽宁省百千万人才工程“百人层次”,辽宁省“学术头雁”,两次入选辽宁省高等学校创新团队带头人,入选辽宁省高等学校优秀科技人才支持计划,多次荣获辽宁省优秀博士/硕士学位论文指导教师,辽宁省优秀本科生教学名师等称号。获沈阳市第七届优秀专家,第十三届沈阳市优秀科技工作者,沈阳市领军人才,沈阳市优秀研究生指导教师等荣誉。
主要研究方向:层级微纳功能材料的设计与可控制备;功能纳米界面的调控、表征及应用;低碳能源催化材料,微纳光电材料与器件技术。主持国家自然科学基金3项、省部级基金13项。以第一作者或通讯作者在Appl. Catal. B-Environ., Chem. Eng.J., J. Hazard. Mater.,J. Mater. Chem. A.等国际重要学术期刊发表SCI论文130余篇。 获辽宁省自然科学二等奖,辽宁省优秀教学成果一等奖,辽宁省自然科学学术成果奖16项,沈阳市自然科学学术成果奖8项。获批国家授权发明专利共16件(均为第一申人)。
【第一作者简介】冯雪,yl23455永利官网,博士生,主要从事光/光电催化材料设计与制备、催化等方面研究。目前已在Appl. Catal. B-Environ.和J. Mater. Sci. Technol.等期刊发表论文4篇。