第一作者：Shixuan Zhao, Bin Liu, Kailang Li

通訊作者：鞏金龍、王拓

通訊單位：天津大學

成果速覽

本研究開發了一種新型的硅光電極，該電極表面覆蓋有TiO2/不銹鋼雙層結構，用于太陽能驅動的海水分解。通過在不銹鋼和TiO2的協同作用下，實現了高效的氧氣進化反應和對海水中腐蝕性離子的阻隔。

實驗結果顯示，該光電極在含有氯離子的堿性電解液中穩定性達到167小時，并且在堿性自然海水中表現出超過50小時的穩定性能，光子轉換效率為2.62%。

圖文導讀

圖1：展示了硅光電極的制備過程和結構示意圖。通過在異質結硅基底上沉積TiO2和不銹鋼薄膜，構建了雙層保護層。圖中還展示了在模擬AM 1.5 G光照下，HJ-Si/TiO2/SS光電極的光電轉換效率（ABPE）曲線。

圖2：通過掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）圖像，展示了HJ-Si/TiO2/SS光電極的形貌和化學狀態。圖中還展示了不銹鋼薄膜在反應前后的元素分布和化學狀態變化。

圖3：展示了不同不銹鋼薄膜厚度對光電極性能的影響。通過電流-電壓（J-V）曲線和ABPE曲線，可以看出SS-83樣品在含氯堿性電解液中展現出最佳的光電化學性能。

圖4：通過穩定性測試和DFT計算結果，分析了Cl-對光電極穩定性的影響。圖中還展示了不銹鋼薄膜在穩定性測試前后的表面形貌和結構變化。

圖5：展示了HJ-Si/TiO2/SS-83光電極在堿性自然海水中的光電化學性能。通過J-V曲線和ABPE曲線，可以看出光電極在自然海水中仍然保持較高的性能。

亮點介紹

1. 創新設計了TiO2/不銹鋼雙層結構，有效保護硅光電極免受海水中腐蝕性離子的侵害。

2. 通過電化學重構，不銹鋼薄膜轉化為含鉻的NiFe（氧）氫氧化物，顯著提升了氧氣進化反應的催化活性。

3. 實現了在含氯堿性電解液中長達167小時的穩定性能，以及在堿性自然海水中超過50小時的穩定運行。

4. 達到了2.62%的光子轉換效率，為太陽能海水分解提供了高效且穩定的解決方案。

計算模擬

通過密度泛函理論（DFT）計算，研究了Ni1?x?yFexCry(OH)2和Ni(OH)2的氧進化反應（OER）機制。計算了在不同電位下OER中間體的吉布斯自由能，以評估其催化活性。

DFT計算結果表明，Ni1?x?yFexCry(OH)2相比于Ni(OH)2在OER過程中顯示出更低的反應能壘，這與實驗中觀察到的優異的起始電位和ABPE一致。

此外，DFT計算還揭示了Cl?在Ni1?x?yFexCry(OH)2上的吸附能力減弱，有助于抑制腐蝕過程和提高光電極的穩定性。

文獻信息

標題：A silicon photoanode protected with TiO2/stainless steel bilayer stack for solar seawater splitting

期刊：Nature Communications