ChemSusChem：以钆掺杂的赤铁矿光阳极为模型揭示过渡金属磷化物及其表面演化物种在光电催化水分解中的本质作用

兰州大学化学化工学院靳军副教授课题组以钆掺杂的赤铁矿光阳极为模型，揭示了过渡金属磷化物及其表面演化物种在光电催化水分解中的本质作用。

过渡金属磷化物(TMPs)在多种催化反应中得到广泛研究和应用，其在自然条件下很容易衍生出对应的磷酸盐，这两者在催化反应中的真正作用尚不明确。

鉴于此，兰州大学化学化工学院硕士研究生柴欢和靳军副教授等人以成本低廉，热力学稳定，环境友好的钆掺杂的赤铁矿光阳极为模型，使用原位磷化策略构筑了FeP/Gd-Fe₂O₃核壳结构光阳极，通过对比实验和完整的表征和测试来研究FeP和Fe-Pi(iron phosphate)在该体系中的真正作用。采用原位磷化法构建高效光阳极的优点如下：一方面，采用α-Fe₂O₃作为反应物，客观上减小了纳米棒的直径，更有利于光生空穴从体相迁移到半导体-电解液界面处参与水氧化反应；另一方面，与有意修饰的催化剂相比，原位构建的异质结构/催化剂的界面接触电阻更小。完整的物理特征证明了FeP及其表面演化的物种(Fe-Pi)的存在。全面的光电化学测试和分析揭示了纯FeP和其表面重构的Fe-Pi之间的协同效应。具体来说，（1）纯FeP可以作为光敏剂，拓宽光阳极的光吸收范围；（2）纯FeP具有优异的导电性，可以作为高效的电荷转移层，将光生空穴从价带输送到半导体-电解液界面；（3）FeP显著提高了光阳极的入射光子-电流转换效率，改善了光阳极内有效的电子跃迁；（4）FeP经过表面重构，自然衍生出的Fe-Pi助催化剂，提供了更多的活性位点，降低OER过电势，进一步加快水氧化反应；（4）FeP可以更好地钝化表面状态，增大能带弯曲，进一步抑制了载流子复合。FeP及其表面重构的Fe-Pi的协同作用显著改善了α-Fe₂O₃基光阳极的电荷分离和转移，以及对入射光子和光生空穴的利用。这项工作为理解过渡金属磷化物在催化反应中的重要作用提供了新的见解。

论文信息

Revealing the Essential Role of Iron Phosphide and its Surface-Evolved Species in the Photoelectrochemical Water Oxidation by Gd-Doped Hematite Photoanode

Huan Chai, Lili Gao, Dr. Jun Jin

文章第一作者为柴欢

ChemSusChem

DOI: 10.1002/cssc.202201030

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