昆士蘭大學王連洲Sci.China Mater.綜述?水分解光電極：電極材料、電極組裝和表徵

光電催化分解水作為一種可持續獲取清潔氫能的技術吸引著人們的廣泛關注。高效光電化學過程有賴於選擇合適的半導體材料；同時，合理的電極組裝方法對於電荷的遷移與表面反應也起到至關重要的作用。除此之外，先進的表徵技術對於我們加深光電催化分解水的過程，認清反應限速步驟並據此進一步優化電極設計提供了保證和依據。最近，澳大利亞昆士蘭大學王連洲教授和王志亮博士在Science China Materials發表題為「Photoelectrode for water splitting: Materials, fabrication and characterization」的綜述文章。本文著眼於實現高效的光催化分解水制氫過程，綜述了電極材料的開發、電極組裝手段和光電催化表徵技術這三個方面的發展進度，並期望為發展更加高效的光電催化分解水過程提供一些借鑒。

(1)影響光電轉化效率的關鍵步驟

首先文章論述了影響電極轉化的關鍵步驟。如圖1所示，光電催化反應主要包括：半導體材料的光吸收——決定了最大轉化效率；材料內的光生電荷分離能力——決定於體相複合；電極表面的反應能力——決定於表面複合。這三方面因素主導了光電反應的整個過程。

圖1. 影響光電轉化效率的三個關鍵步驟：電極的光吸收，電極內的電荷分離，電極表面的反應。

(2)電極材料的開發

電極材料是構建高效光電極的基石。文章總結了廣泛使用的半導體氧化物、氮化物、硫化物在光電催化中的應用。然而每種電極材料都面臨著活性或者穩定性的問題。如圖2所示，TiO2等金屬氧化物具有高穩定性，但是轉化效率低；而CuZnSnS4(CZTS)較窄的帶隙保證了電極的光電轉化效率，但是穩定性成為了該半導體邁向實用化的關鍵限制步驟。因此，如何設計開發高效、穩定且廉價的半導體光電極材料是光電催化分解水的一個核心問題。

圖2.各種常見光電極對應的半導體帶邊結構。

(3)有效的電極製備方法

電極製備方法對光電極的響應起到關鍵性作用，它會深刻影響電荷在電極膜內的傳輸。該部分介紹了目前較常用的電極製備手段，包括：濕法化學沉積、顆粒組裝、氣相沉積等等。如圖3，利用濕法沉積如(a)水熱或(b)電沉積，可以有效控制電極的微觀形貌，並對電極的光電響應帶來巨大影響。

圖3.BiVO4電極採用水熱(a)和電沉積(b)技術得到的具有不同形貌的光陽極。

(4)電極結構和表面反應的表徵

深入理解光電反應過程對於進一步優化提升光電極的響應十分重要。該部分綜述了各種電極結構以及光電極反應中的載流子轉移過程。對於電極結構的表徵包括各種基於X-射線吸收的技術，電化學分析等；對於載流子轉移的表徵包括各種時間分辨光譜、頻率分析的電化學技術等。

該綜述總結了光電催化分解水研究的三個關鍵問題，即電極材料，電極製備和電極反應的表徵。通過選擇合適的半導體材料，使用合理的電極組裝策略，目前已經在Ta3N5光電分解水體系中取得了2.5 %的太陽能轉化效率；在一些串聯的體系中更是取得了10%以上的太陽能轉化效率。然而當把效率、成本和穩定性等指標綜合考慮時，目前仍然沒有能夠滿足實際需要的光電催化分解水體系。因此，如何更深入理解光電催化過程，開發理想優異的光電極對於該領域研究十分重要。

最後作者認為可以從以下方面認識光電催化分解水的過程：(1)水分解過程中間體的認識和檢測；(2)光電化學水分解的驅動力和過電位的定量計算；(3)表面態和助催化劑在表面反應中的狀態；(4)光生載流子從產生到消耗的傳輸過程。

相關工作得到了澳大利亞基金委的資金支持。

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