通过氯化物循环实现的、在BaTaO2N光阳极上的可持续太阳能海水分解

《Inorganic Chemistry Frontiers》：Sustainable solar seawater splitting over a BaTaO2N photoanode enabled by chloride recirculation

海水制氢光阳极BaTaO2N通过自循环氯气再生机制实现高效稳定运行，在pH<7.5时氯气氧化反应主导产氢，结晶度高形态均匀的结构使连续24小时光电流保持率超80%，远堆积氢效率近100%。

　　

本研究证明，通过自下而上的制备方法在钽（Ta）基底上制备的BaTaO₂N光阳极，在模拟日光条件下表现出高效且稳定的光电化学（PEC）海水分解性能。尤其是在酸性至中性pH范围内，氢气（H₂）的生成效率得到了提升，而氧气（O₂）的生成反应（OER）通常较为缓慢。这种性能提升归因于氯气（Cl₂）的生成反应（CER），该反应通过一个动力学上更有利的电子转移途径得以促进。BaTaO₂N具有高结晶度和立方体形态，加之均匀的Co(OH)_x催化剂负载，使得在连续海水分解24小时后仍能保持超过80%的光电流，并且法拉第效率接近100%。这种卓越的效率源于BaTaO₂N独特的能带结构：该结构抑制了羟基自由基的形成，并通过CER和OER选择性地促进氧化反应。值得注意的是，在pH值低于7.5时，CER的效率优于OER；而在较高pH值下，OER则占主导地位。此外，CER过程中产生的游离氯会通过光解和化学过程逐渐分解为氧气（O₂）和氯离子（Cl^?），从而确保了电解液中氯离子的持续再生。这种自我维持的循环机制使得在固定体积的海水中光反应能够长时间持续进行，无需依赖连续的海水流动。通过克服从海水中可规模化生产氢气的关键障碍，这些结果为可持续且选择性的PEC海水分解技术提供了可行的途径。