赵雷教授等International Journal of Hydrogen Energy：Ti掺杂氧化铁复合mof异质结光阳极光电催化水氧化

第一作者：肖丰

通讯作者：何漩，赵雷

通讯单位：武汉科技大学耐火冶金国家重点实验室

研究要点：

1.使用CVD法制备MOFs与α-Fe₂O₃构筑异质结，调节其能带结构。

2.Ti离子掺杂诱导氧空位的生成，改善了α-Fe₂O₃的本征电导率。

3.协同效应使得复合样品的光电流密度相较于基体样提升了10倍。

研究背景：

赤铁矿(α-Fe₂O₃)由于独特的电子结构和物理化学性质在光电催化领域受到广泛关注。然而α-Fe₂O₃本身存在的电荷转移性能差、本征电导率低等缺陷使其光电催化性能不理想。目前，复合半导体形成异质结被认为是解决光半导体光响应范围与光生载流子复合机率矛盾的有效手段。此外，离子掺杂引入氧空位，也是改善其本征电导率的有效方法。

成果介绍：

2020年12月3日，International Journal of Hydrogen Energy在线报道了武汉科技大学赵雷教授团队在α-Fe₂O₃光电催化分解水制氧领域的最新研究成果。在该工作中，研究者构筑了Ti：Fe₂O₃@MOF异质结，优化了载流子的分离及迁移效率，实现了光电流密度从10倍的提升。  

要点1：利用范德华力构筑CN/GO垂直异质结

通过范德华力构筑CN/GO异质结，提高光生电荷分离效率，而GO中存在的热电子效应能有效的提高电荷迁移速率。此外，GO作为窄带隙半导体增强了体系在可见光区的光吸收能力。

图1 (a) Fe₂O₃; (b) Fe₂O₃@MOF; (c) Ti:Fe₂O₃; (d) Ti:Fe₂O₃@MOF样品的TEM照片

要点2：构筑CNGO复合气凝胶，增强物质传输和活性位点暴露

易团聚是二维材料普遍存在的问题，将二维材料通过交联的方式构筑成具有三维网络结构的气凝胶是解决这一问题的有效手段。气凝胶三维网络结构形成的大孔有利于反应物和产物的渗透和传输，大的比表面积有利于暴露更多的活性位点。此外错综复杂的孔隙结构增强光的散射，从而增强光吸收能力。

图2 样品的(a)XPS图谱, (b)ESR图谱

要点3：协同效应使得复合样品的光电流密度相较于基体样提升了10倍。

在本文的工作中，MOFs异质结起到了加速表面电子空穴分离的作用，而Ti离子掺杂引入氧空位则改善了体相的载流子迁移能力，两种优化机制相互协同作用，使得整体复合样品的电流密度提升了10倍。

图3 样品的(a) LSV 曲线; (b) IBPE 曲线; (c) 斩光伏安法以20s为间隔测试的电流时间曲线; (d) IPCE 曲线

小结

综上所述，本文采用了一种简便的CVD方法获得了具有无缝界面的Ti:Fe₂O₃@MOF异质结，同时采用了诱导氧空位和涂覆MOFs层两方面的组合策略来提高光阳极的光电流。在这两种路径的协同作用下，光阳极的光电流密度从0.25 mA/cm²大幅提高到2.1 mA/cm²。我们的工作可以证明提高光阳极的光电流密度的概念，这为PEC水分解的大规模应用提供了巨大的潜力。本工作得到了省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室、武汉科技大学以及国家基金委的大力支持。