多酸修饰的CuBi₂O₄/Mg-CuBi₂O₄同质结光阴极用于高效光电化学转化

摘要

CuBi₂O₄作为最有前景的光阴极材料之一,其理论光电流密度可达20 mA·cm^-2。然而,在实际光电化学反应中,由于光生载流子复合严重,实际的光电流密度相较于理论值仍然存在显著差异。一般而言,光电化学性能在很大程度上依赖于光生载流子的高效分离和传输,以及快速的反应动力学。本文中,我们提出了一种多金属氧酸盐（多酸）修饰的CuBi₂O₄/MgCuBi₂O₄同质结光阴极。系统考虑了光阴极体相和界面的载流子传输:首先,通过CuBi₂O₄/Mg-CuBi₂O₄同质结中所构造的内建电场实现光生电子和空穴的定向转移;另外,多酸助催化剂Ag6[P₂W₁₈O₆₂](AgP₂W₁₈)在反应过程中可被还原,进而可被用作质子存储载体,可在抑制载流子复合的同时促进界面光电化学反应。这种协同作用可在促进体相-界面载流子传输的同时解决界面缓慢反应动力学这一瓶颈。结果表明,本文所提出的光阴极实现了出色的光电化学性能,在0.3 V vs.RHE时,光电流密度达-0.64 mA·cm^-2;而在使用H₂O₂电子牺牲剂后,相同电位下的光电流密度进一步提升到-3 mA·cm^-2。本文所提出的光阴极与已有研究工作中报道的最佳结果相比,具有相当的光电化学活性,证明了其在实际应用中的巨大潜力。

关键词

铋酸铜 / 镁掺杂 / 光阴极 / 多酸助催化剂 / 光电化学