近日，课题组基于对光能驱动阴极金属保护系统的理解，设计了一种由多个功能模块集成的光电化学器件，这种模块化设计策略不仅可以通过定向分离光生载流子实现高效的光电转换，还解决了传统阴极保护技术需要额外添加空穴捕获剂的问题，从而为金属提供绿色、无污染、稳定的防腐保护。

图文摘要

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    由于传统光电化学阴极保护系统的所有核心反应步骤，即从光子捕获、激子生成、电子-空穴对分离、电荷扩散、到电子流入金属进行阴极保护以及空穴流入电解质进行氧化反应都集中在单一光电转换单元（单个或复合半导体）上。因此，很难同时对所有反应步骤进行优化。基于此，该研究提出了一种功能模块集成策略，通过将包括电子传输层（ETL）、光电转换层（PCL）、空穴传输层（HTL）和空穴消耗层（HCL）在内的独立功能模块依次组装成一个统一器件，从而分解所有关键反应步骤并对功能模块材料进行合理的筛选。与由半导体材料组成的传统异质结构光阳极不同，所构筑的模块化器件中的内建电场形成于相邻功能层之间，从而连续贯穿整个光阳极，并引导光生载流子在整个器件中以一致的方向流动；异质结构光阳极中的内建电场则仅局限于直接接触的半导体颗粒之间，从整个光阳极层面来看仍是无序且无方向性。另外，HCL层的引入促进了表面氧化反应动力学，缓解了光生空穴的累积，从而减轻了解离电子与空穴的复合概率。因此，与传统光电化学阴极保护系统相比，这种全新的模块化设计架构中单个模块（反应步骤）的优化和相邻模块之间的相互作用显著提升了阴极金属保护性能，也为新一代太阳能驱动的阴极金属保护系统的开发设计开辟了新的可能。

    该工作以题为“Integration of functional modules in a unified photoelectrochemical device for highly efficient solar-driven cathodic metal protection”发表于国际著名期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》（DOI：10.1016/j.apcatb.2024.124164）。文章通讯作者为北京大学深圳研究生院杨世和教授、中山大学刘法谦教授、邢政副教授，第一作者为中山大学化学工程与技术学院博士研究生谢慧。

Hui Xie, Zhijun Wang, Guangyao Nie, Yuchen Fang, Weihua Li, Shihe Yang, Faqian Liu, Zheng Xing, Integration of functional modules in a unified photoelectrochemical device for highly efficient solar-driven cathodic metal protection, Applied Catalysis B: Environment and Energy, 355 (2024) 124164.

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337324004788#bib45