单原子催化剂助力赤铁矿光阳极光电化学水分解：突破与展望

为解决赤铁矿光阳极在光电化学（PEC）水分解中存在的诸多问题，研究人员开展了单原子催化剂（SACs）修饰赤铁矿光阳极的研究。结果表明 SACs 可提升其性能，这为 PEC 水分解技术发展提供了新方向。

　　在全球大力推进 “碳达峰、碳中和” 的时代浪潮下，寻找清洁、可持续的能源成为科研领域的热门话题。太阳能，作为取之不尽、用之不竭的清洁能源，吸引着众多科研人员的目光。其中，光电化学（PEC）水分解技术，就像是一把神奇的钥匙，试图打开将太阳能转化为氢能的大门。这一过程利用阳光、半导体材料和水，实现了太阳能到氢能的转换，被视为太阳能利用领域的 “圣杯反应”。

在众多用于 PEC 水分解的材料中，赤铁矿（Fe₂O₃）凭借自身诸多优势，如储量丰富、带隙适宜、环境友好、光化学稳定性高以及理论太阳能 - 氢（STH）转换效率出色等，成为研究的焦点。然而，它也并非十全十美，存在着一系列亟待解决的问题。例如，光吸收不足，就像一个胃口不好的人，不能充分摄取 “食物”（光能）；空穴扩散长度有限，限制了电荷的传输；载流子寿命短，如同短跑选手，没跑多远就 “体力不支”；水氧化反应动力学缓慢，拖慢了整个反应进程；电导率不足，影响了电子的传导。这些问题导致电子和空穴在赤铁矿的体相、界面和表面大量复合，大大降低了 PEC 水分解的性能。因此，如何实现赤铁矿光阳极中电子 - 空穴的快速分离和传输，成为提升 STH 转换效率的关键，也促使科研人员不断探索新的解决方案。

为了攻克这些难题，中国科学院上海微系统与信息技术研究所的研究人员开展了单原子催化剂（SACs）修饰赤铁矿光阳极用于光电化学水分解的研究。研究发现，SACs 独特的原子结构、原子配位和可调节的电子态，使其在修饰赤铁矿光阳极时展现出巨大潜力。通过一系列研究，证实了 SACs 能有效提高电荷分离和转移效率，延长载流子寿命，加速水氧化动力学，从而显著提升了赤铁矿光阳极的 PEC 水分解性能。这一研究成果发表在《The Innovation》上，为 PEC 水分解技术的发展开辟了新道路，有望推动该技术从实验室走向实际应用，为实现清洁能源的大规模生产提供有力支持 。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们采用自上而下的方法，如浸渍、化学气相沉积等制备 SAC 修饰的赤铁矿光阳极。通过强度调制光电流光谱（IMPS）、瞬态吸收光谱（TAS）等光谱技术，对电荷传输过程和载流子动力学进行分析。同时结合密度泛函理论（DFT）计算，从理论层面深入探究电子结构和反应机制。

单原子催化剂修饰赤铁矿光阳极的研究进展

1. 单原子催化剂的负载及性能研究：研究人员采用浸渍法将不同的单原子催化剂负载到赤铁矿光阳极上。如 Wang 等人用 Ir 单原子催化剂修饰赤铁矿，研究发现低负载密度的 Ir 单原子催化剂在特定 PEC 水氧化条件下有利于电荷传输。在实际应用中，由于季节变化和恶劣天气，阳光强度会大幅下降，合适的 SAC 负载量对于户外 PEC 水分解装置的性能至关重要。
2. 反应机制的探索：Sobrido 等人对浸渍法制备的 Ir 修饰赤铁矿光阳极的反应机制进行了深入研究。通过 IMPS、TAS 和 DFT 计算，系统分析了 Ir 单原子催化剂在赤铁矿光阳极上的作用机制。结果表明，Ir 单原子催化剂在赤铁矿光阳极中作为真正的催化剂，能够捕获来自赤铁矿体相的空穴，并将其传递到电解质中，驱动 PEC 水分解反应。与未修饰的赤铁矿光阳极相比，Ir 修饰的光阳极空穴寿命缩短、空穴浓度降低，且表面电荷转移过程更快。理论计算还发现，Ir 单原子催化剂的 4d 轨道导致了中间能隙态的形成，促进了空穴从赤铁矿向 Ir 单原子催化剂的转移。此外，DFT 计算和吉布斯自由能计算进一步证实，在 Ir 修饰的赤铁矿光阳极上，PEC 水氧化反应在 Ir 位点发生比在 Fe 位点更高效 。
3. 双原子催化剂修饰的新突破：对赤铁矿光阳极进行双原子催化剂修饰为 PEC 水分解领域带来了新的突破。Wang 等人通过化学气相沉积法，用金属 - 非金属双原子 Ru - P 对位点催化剂修饰赤铁矿，实现了在 1.23 VRHE 下 4.55 mA/cm²的优异光电流响应。Ru - P 化学键的存在显著减少了深电子陷阱位点，降低了电荷复合，加速了电荷分离和传输，使更多空穴参与 PEC 水氧化反应。Wang 等人还通过浸渍法将 Ir - Fe 双原子 SACs 负载到赤铁矿上，在 1.23 VRHE 下展现出 4.4 mA/cm²的优异 PEC 水分解性能。通过多种光谱技术和理论计算揭示，Ir 和 Fe 原子的电子耦合效应使得 Ir - Fe 双原子 SACs 的部分轨道被占据，从而实现了 Ir 位点上 OH * 中间体的快速脱附 。

研究结论与讨论

研究表明，SACs 修饰赤铁矿光阳极在 PEC 水分解领域展现出巨大的潜力。虽然 SACs 对赤铁矿光阳极空穴扩散长度的影响有限，但能够显著增加载流子寿命，提高电荷分离和转移效率，加速水氧化动力学，进而提升 PEC 水分解性能。然而，目前 SACs 在 PEC 水分解中的应用仍处于起步阶段，要深入理解其详细的 PEC 水分解过程仍面临诸多挑战。

SAC 修饰光电极的表面 / 界面结构与表面态密切相关，是影响 PEC 水分解性能的关键因素。未来，进一步合理设计 SAC 修饰的光电极，需要精细选择 SAC 种类，并对 SACs 与光电极材料进行协同设计。通过控制 SACs 与光电极材料之间的原子 - 原子相互作用，可以调节复合光电极的原子结构、局部配位和电子态，从而影响电荷转移和复合效率、起始电位、光电流响应、反应中间体和反应路径。

为了更深入地研究 SACs / 光电极的反应中间体和反应机制，研究人员建议加大对原位 PEC 技术的开发力度。通过将实验数据与理论计算相结合，可以进一步加速 SAC 修饰光电极在 PEC 水分解领域的发展。在不久的将来，SACs 的应用有望扩展到其他光电极（如 WO₃、BiVO₄、ZnFe₂O₄等），为 PEC 水分解系统的实际应用提供更广阔的前景。这项研究为光电化学水分解技术的发展提供了重要的理论基础和实践指导，有望推动清洁能源领域的重大突破。