近日，华体会体育材料学院陈卓、曹传宝团队与中科院高能物理所董俊才、悉尼大学赵慎龙合作，通过半导体与电催化剂相结合，运用界面工程策略设计制备了复合光阳极，并将其应用于连续水分解产氧。其优势在于：1）将传统的PEC拓展至更高的阳极电位；2）通过光促进电催化剂的本征催化活性提升，从而实现远大于传统的光电流增益。此外，通过Operando X射线吸收谱阐明OER过程中光的引入及TQ-NiFe中半导体-电催化剂的纳米界面对性能提高的潜在机制。相关研究成果发表在Nature Communications上。

图1 碳布上生长TQ-NiFe的制备流程示意图及相关表征。

通过将电催化剂（NiFe LDHs）与半导体（TiO₂-CdS/CdSe-MoS₂）相结合，运用界面工程策略设计制备了生长在碳布上的复合催化剂TiO₂-CdS/CdSe-MoS₂-NiFe LDH（TQ-NiFe）。其中，CdS、CdSe作为光吸收剂能够扩宽光吸收范围，并且其与TiO₂之间构建的梯形能带结构能够有效地促进电荷的分离及运输，而MoS₂作为保护层可以进一步提高催化剂的稳定性。

图2 TQ-NiFe，TQ和T-NiFe的光电催化性能。

在PEC区域，TQ-NiFe作为光阳极在水分解反应中的起始电压为0.238 V vs RHE，其在0.991V vs RHE的极低电位下即可实现10 mA cm^-2的光电流密度，比理论水分解电势（1.229 V vs RHE）低238 mV，并优于已报道的先进光阳极。

图3 TQ-NiFe在有无光照条件下的电催化OER性能。

在高电位电催化区域，TQ-NiFe在光照下有较低的电化学OER活化能、Tafel斜率以及较大的电化学活性面积、本征催化活性和优异的长期稳定性。由暗态转变为光照状态时，当外加偏压增大到1.65 V vs RHE，复合催化剂的电流密度将从57升至194 mA cm^-2，提升了3.4倍。此外，该光电极在0.2V恒电位下所产生的电流密度（15 mAcm⁻²）在长达100 h的稳定性测试后仍可保持95%。

图4 在有无光照条件下，TQ-NiFe于不同电位下的Operando Ni K-edge XANES谱。

以TQ-NiFe为研究对象，通过Operando X射线吸收光谱证实性能提升的机制分析。结果表明在光下，样品能够在较低的阳极电位下形成更多的Ni³⁺/⁴⁺活性物种，从而显著加速OER动力学，导致更低的Tafel斜率和活化能，进而提高了OER的催化活性，为开发水分解催化系统提供了新思路。

综上所述，本文通过将NiFe LDHs电催化剂复合在MoS₂作为保护层的CdS/CdSe量子点敏化TiO₂纳米棒基底上（TQ-NiFe），构建了一个三维多成分结构。TQ-NiFe复合光电极具有优异的光电化学性能及高阳极电位区域卓越的光增强电化学OER性能。通过Operando X射线吸收光谱证实了改进的机制，为光能够在较低的阳极电位下形成更多的Ni³⁺/⁴⁺活性种，从而显著加速OER动力学，导致更低的Tafel斜率和活化能。这些发现为开发水分解催化系统提供了一条新思路。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38285-z