p-n结增强氧析出反应电催化活性

由于气候变化和化石燃料的日益枯竭，现代社会正逐渐地从化石燃料经济演变为清洁能源经济，能将电转换成具有高能量密度的化学物质——氢气的电化学能量转换和储存系统亟待被开发。电解水被认为是一种很具前景的策略，因为其原料是水，是一种丰富的氢源，可以说，它为以可持续方式生产氢气提供了希望。不幸的是，改法受限于水氧化半反应（OER）——一种动力学迟钝的四电子步骤。因此，开发高效、廉价的OER电催化剂越来越受到学术界和产业界的关注。

最近，催化剂活性位点的电子结构和荷电状态的调控等已被证实是提高材料催化活性的有效手段。基于半导体物理，当两种费米能级不同的半导体接触时，载流子会自发地在半导体间流动，直至达到热力学平衡状态。在半导体结的界面处，由于载流子的流动会形成两个荷电相反的空间电荷区，产生相应的内建电场和整流效应。长期以来半导体的这一特性被广泛应用于二极管、晶体场效应管等多种电子元器件，成为信息技术的基石；半导体结的内建电场也被广泛应用于光生载流子的分离，如太阳能电池和光催化体系等。与此同时，空间电荷区也可用于调控催化剂界面处的电子分布，改变活性位点的电子结构和荷电状态，进而提高催化活性。

图1. a）FeNi-LDH/CoP/CC合成过程示意图；b）FeNi-LDH/CoP半导体p-n结的扫描电镜图；c）FeNi-LDH/CoP半导体p-n结提高电催化氧析出反应机理。

上海交通大学的钱雪峰教授（点击查看介绍）和宰建陶副教授（点击查看介绍）团队在柔性碳布上设计并构筑了由p型CoP阵列和n型FeNi-LDH纳米片组成的半导体p-n结（FeNi-LDH/CoP/CC）。该工作首先利用电化学测试和紫外-可见吸收光谱等手段，确定了FeNi-LDH/CoP半导体p-n结的能级结构。并进一步利用XPS和EELs光谱证实了半导体p-n结的界面处发生了电子转移，使得p型半导体CoP一侧荷负电荷，而n型半导体FeNi-LDH一侧呈正电状态。之后，将FeNi-LDH/CoP半导体p-n结自支撑电极直接应用于碱性条件下的电催化氧析出反应测试，发现该异质结表现优异的催化活性，在1.485 V（vs RHE）的偏压下，其电流密度（370 mA•cm^-2）是FeNi-LDH（35.2mA•cm^-2）的~10倍和CoP（3.66 mA•cm^-2）的~100倍，而塔菲尔斜率仅为33.5 mV•dec^-1。密度泛函理论（DFT）第一性原理计算和不同pH条件下的电催化实验结果表明该半导体p-n结中带正电的n型半导体FeNi-LDH可以促进OH-的吸附，提高其对OER的催化活性。该工作将半导体物理的基本理论与催化化学相结合，利用半导体p-n结空间电荷区构建催化活性中心、调节活性位点电子结构的策略，为高效催化剂的设计和构建提供了一个全新的思路。

相关研究成果发表在近期的Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是上海交通大学博士研究生何凯，通讯作者为上海交通大学钱雪峰教授和宰建陶副教授。

（部分内容引用自《物理化学学报》对该文章的highlight报道，DOI: 10.3866/PKU.WHXB201906081）

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Utilizing the Space-Charge Region of the FeNi-LDH/CoP p-n Junction to Promote Performance in Oxygen Evolution Electrocatalysis

Kai He, Tsegaye Tadesse Tsega, Xi Liu, Jiantao Zai, Xin-Hao Li, Xuejiao Liu, Wenhao Li, Nazakat Ali, Xuefeng Qian

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 11903-11909, DOI: 10.1002/anie.201905281

导师介绍

钱雪峰

https://www.x-mol.com/university/faculty/12614

宰建陶

https://www.x-mol.com/university/faculty/12649