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武利民/王蕾/賀進祿Nature子刊:SAs Pt: Fe2O3-Ov助力光電化學水分解

武利民/王蕾/賀進祿Nature子刊:SAs Pt: Fe2O3-Ov助力光電化學水分解
由于赤鐵礦(α-Fe2O3)具有15.5%的理論太陽能-氫氣轉換效率,科學家們一直致力于改善其光電化學水分解性能,但低置壓光子-電流效率仍然是實際應用的巨大挑戰。
基于此,內蒙古大學武利民教授、王蕾教授和賀進祿研究員等人報道將單原子鉑(SAs Pt)位點與氧原子配位(Pt-O/Pt-O-Fe)位點引入單晶α-Fe2O3納米片光陽極(SAs Pt: Fe2O3-Ov)中。
最佳SAs Pt: Fe2O3-Ov光陽極在1.23和1.5 VRHE下分別表現出3.65和5.30 mA cm?2的光電化學性能,α-Fe2O3基光陽極的偏置光子電流效率為0.68%。
武利民/王蕾/賀進祿Nature子刊:SAs Pt: Fe2O3-Ov助力光電化學水分解
作者利用DFT計算了投射態密度(PDOS)和電子定位函數(ELF),以確定Pt NPs和Pt SAs的負載是否會影響Fe2O3幾何形狀的電子結構和電子遷移率,并將樣品記為NPs Pt/Fe2O3和SAs Pt: Fe2O3
計算得到Fe2O3的直接帶隙約為2.0 eV,與文獻值(2.1 eV)一致。對于NPs Pt/Fe2O3,部分Pt原子與表面氧結合,而其他Pt原子則表現出金屬性質,形成Pt-Pt鍵。Pt NPs在Fe2O3的帶隙之間引入了幾乎連續的狀態,促進了光生電子從Fe2O3轉移到Pt NPs。
武利民/王蕾/賀進祿Nature子刊:SAs Pt: Fe2O3-Ov助力光電化學水分解
將Pt納米顆粒縮小到單原子水平,Pt原子與O原子形成Pt-O共價鍵,對比NPs Pt/Fe2O3,在帶隙內產生了幾個電荷捕獲狀態,主要由SAs Pt原子組成,可捕獲光生成的載流子并加速電子-空穴分離。
此外,ELF表明,摻雜Pt降低了電子局域化,有利于提高電子傳遞速率。NPs Pt/Fe2O3中存在較強的Pt-O和金屬-金屬相互作用,而SAs Pt: Fe2O3中則不存在Pt-O和金屬-金屬相互作用。結果表明,SAs Pt摻雜可以促進電子的分離和轉移,從而提高性能。
武利民/王蕾/賀進祿Nature子刊:SAs Pt: Fe2O3-Ov助力光電化學水分解
Single-atomic-site platinum steers photogenerated charge carrier lifetime of hematite nanoflakes for photoelectrochemical water splitting. Nat. Commun., 2023, DOI:10.1038/s41467-023-38343-6.

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