气溶胶辅助化学气相沉积法制备α-Fe2O3与BiFeO3光阳极：新型前驱体开发助力高效光电化学水分解

本文推荐一种基于氨基-三叔丁氧基配体的新型Fe(III)前驱体（AACVD），通过气溶胶辅助化学气相沉积技术成功制备了高纯度的α-Fe2O3和BiFeO3光阳极。研究显示，该前驱体设计显著提升了薄膜质量，在1太阳光照下分别实现0.38和0.42 mA cm?2的光电流密度（1.23 VRHE），为光电化学（PEC）水分解提供了可规模化、低成本的高效解决方案。

　　

引言

绿色氢能开发是应对气候变化的关键战略。光电化学（PEC）水分解技术通过半导体光阳极将太阳能转化为氢能，但其商业化受限于材料性能。传统TiO₂光阳极因3 eV宽带隙仅能利用5%太阳光谱，而α-Fe₂O₃（2 eV）和BiFeO₃（2.1 eV）因其窄带隙和稳定性成为理想替代品，但面临电荷复合率高、相纯度低等挑战。

前驱体开发

研究团队设计了一种氨基-三叔丁氧基配体（1）的Fe(III)配合物（2），单晶X射线显示其形成罕见的{Fe₂O₂}二聚结构（Fe-O键长1.965 ?）。该前驱体与同配体Bi配合物（3）具有匹配的热分解特性（TGA显示170-240°C挥发），为双源AACVD沉积奠定基础。相较传统商用前驱体[Bi(O^tBu)₃]/[Fe(acac)₃]（产生Bi₂O₃杂质），该设计显著提升相纯度。

α-Fe₂O₃薄膜性能

450°C沉积的α-Fe₂O₃薄膜呈现1 μm致密层和荆棘状表面形貌（SEM）。拉曼光谱和PXRD证实其为纯相，带隙1.91 eV，平带电势+0.31 V_RHE。背光照射下光电流密度达0.38 mA cm^?2（1.23 V_RHE），且24小时稳定性优异，归因于优化的电荷传输路径。

BiFeO₃薄膜突破

650°C退火后获得中空锥状纳米结构的BiFeO₃薄膜（EDX证实Bi:Fe=1:1.24）。其多铁性内建电场促进电荷分离，2.18 eV带隙与-1.48 V_RHE导带位置匹配水氧化需求。尽管含微量Bi₃₆Fe₂O₅₇杂质，仍实现0.42 mA cm^?2光电流密度，为AACVD双源前驱体沉积首例。

结论

该研究通过"通用配体"策略开发兼容性前驱体，解决了多金属氧化物AACVD沉积的相纯度难题。α-Fe₂O₃的早启电位（0.3 V）和BiFeO₃的纳米结构设计为下一代光阳极提供了新思路，推动太阳能-氢能转化技术发展。