辽宁大学化学院张蕾教授课题组“构建多孔双壳z型异质结fe2o3@ov-凯发k8国际官方网站

  近日，辽宁大学张蕾教授在国际知名期刊applied catalysis b: environmental上发表题为“multi-strategy for constructing z-scheme porous hollow double-shell fe₂o₃@ov-nife₂o₄ nanorods-arrays photocathode: bias-free synthesis of h₂o₂, zn-h₂o₂ cell and generation of naznpo₄”的研究论文(doi: 10.1016/j.apcatb.2023.122955)。该文章提出将pds-fe₂o₃@ov-nife₂o₄-hr原位生长在ti网上，形成fe₂o₃@ov-nife₂o₄纳米棒阵列的一体化光阴极，高效氧还原生产h₂o₂；构建pds-fe₂o₃@ov-nife₂o₄-hr-ti||fe₂o₃-ti光电化学电池，在无偏压下实现阴阳极两极协同生产h₂o₂；构建pds-fe-hr-ti||zn可充电zn-h₂o₂燃料电池，该电池在koh电解质中实现能量的转换及存储，在磷酸盐缓冲液电解质中既可实现电能的输出，也保证产h₂o₂的同时获得高附加值化学品naznpo₄。

 随着工业生产对过氧化氢 (h₂o₂)的需求量增大，亟待开发环境友好绿色经济的新合成方法。太阳能驱动的光电催化(pec) 氧还原(orr) 和水氧化反应 (wor)生产h₂o₂是目前最有前途的安全、高效的合成方法之一。其中合成h₂o₂的关键是开发调节orr途径的光电催化剂。本篇论文设计了多孔中空双壳结构纳米棒z-型异质结pds-fe₂o₃@ov-nife₂o₄-hr光电催化剂，双壳和空心内部的独特结构使材料具有足够的活性界面位点，多孔结构有效的氧气输送能力和更多的氧空位， fe₂o₃@ ov-nife₂o₄形成化学键合界面及强内电场有利于实现orr。此外，pds-fe₂o₃@ov-nife₂o₄-hr光阴极与不同的阳极耦合，除产过氧化氢外还可以实现其它化学增值品的生产。

采用原位自组装模板策略，在ti网上原位生长具有氧空位和化学键界面的多孔中空双壳结构fe₂o₃@ov-nife₂o₄ (pds-fe₂o₃@ov-nife₂o₄-hr) z型异质结纳米棒阵列一体化光电阴极 (scheme 1)。将pds-fe₂o₃@ov-nife₂o₄-hr-ti用于光阴极催化氧还原生产h₂o₂，h₂o₂的最大生产速率为6.3 mm h^-1。高的h₂o₂生产速率归因于z型异质界面的快速载流子转移和更强的氧化还原活性；ov-nife₂o₄中丰富的氧空位提升载流子浓度，化学键界面的构建为高浓度的载流子提供快速的传输路径；中空双壳结构可以实现光在双壳的空间内多次散射和反射，增强光吸收性能；提供大的比表面积，增强表面氧化还原活性和界面电荷分离效率。

将高效的光电阴极pds-fe₂o₃@ov-nife₂o₄-hr-ti与光阳极fe₂o₃-ti耦合组成光电化学电池，实现阴阳两极协同生产h₂o₂, 在 -0.5 v的偏压下两个电极的h₂o₂总产率为4.07 mm h^-1；无偏压条件下，两个电极h₂o₂的总产率为9.8 μmol min^-1 cm^-2, 揭示光电催化产过氧化氢机理 (fig. 1)。

将高效的pds-fe₂o₃@ov-nife₂o₄-hr-ti与zn阳极耦合构建可充电zn-h₂o₂燃料电池，一体化电极的制备有利于提升电极的导电性能；变价态ni² /ni³ , fe² /fe³ 催化剂组分调控设计有利于增强zn-h₂o₂电池的效率，在koh电解质中开路电压高达1.3 v，功率密度为8.5 mw cm^-2；在磷酸盐缓冲液电解质中既可以实现电能的输出，还可以合成高附加值化学品naznpo₄ (fig. 2)。

制备的中空双壳z-型异质结构高效光电阴极pds-fe₂o₃@ov-nife₂o₄-hr-ti用于光电催化生产高浓度的h₂o₂ (152 mm, 24 h)。优异的生产h₂o₂性能归因于其多孔双壳中空结构可以提高光能利用效率，nife₂o₄外壳的丰富的o空位有利于电子的捕获，nife₂o₄外壳与fe₂o₃内壳形成强耦合异质结界面 (fe-o-ni)为电子转移提供快速的通道，增强载流子的传输效率。pds-fe₂o₃@ov-nife₂o₄-hr-ti光电阴极和fe₂o₃-ti阳极结合组成的pec体系，在没有施加电压下，可以实现在两个电极上同时产生h₂o₂ (9.8 μm min^-1 cm^-2)。pds-fe₂o₃@ov-nife₂o₄-hr-ti作为可充zn-h₂o₂电池 (以碱性和中性为电解质)的光电阴极具有12 mw cm^-2的高功率密度的电能输出和naznpo₄高价值化学品的生产。本研究为构建中空结构z型异质结光电阴极提供了一种新的策略，可指导其他光电阴极材料的设计，并为能源相关器件上的多功能光电催化提供了一种可行的策略。

该论文被材料科学，研之成理，environmental advances 等学术媒体和交流平台重点推介。

【文章链接】https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122955

   【通讯作者简介】张蕾，材料化学博士，二级教授，博士生导师。国务院政府特殊津贴获得者，辽宁省“兴辽英才计划”创新领军人才（辽宁特聘教授），辽宁省百千万人才工程“百人层次”，辽宁省“学术头雁”，两次入选辽宁省高等学校创新团队带头人，入选辽宁省高等学校优秀科技人才支持计划，多次荣获辽宁省优秀博士/硕士学位论文指导教师，辽宁省优秀本科生教学名师等称号。获沈阳市第七届优秀专家，第十三届沈阳市优秀科技工作者，沈阳市领军人才，沈阳市优秀研究生指导教师等荣誉。

主要研究方向：层级微纳功能材料的设计与可控制备；功能纳米界面的调控、表征及应用；低碳能源催化材料，微纳光电材料与器件技术。主持国家自然科学基金3项、省部级基金13项。以第一作者或通讯作者在appl. catal. b-environ., chem. eng.j.， j. hazard. mater.，j. mater. chem. a.等国际重要学术期刊发表sci论文130余篇。 获辽宁省自然科学二等奖，辽宁省优秀教学成果一等奖，辽宁省自然科学学术成果奖16项，沈阳市自然科学学术成果奖8项。获批国家授权发明专利共16件（均为第一申人）。

【第一作者简介】冯雪,辽宁大学化学院，博士生，主要从事光/光电催化材料设计与制备、催化等方面研究。目前已在appl. catal. b-environ.和j. mater. sci. technol.等期刊发表论文4篇。