Improved Photoelectrochemical Performance by Polyoxometalate-Modified CuBi2O4/Mg-CuBi2O4 Homojunction Photocathode

Wencheng Fang Dong Liu Ying Zhang Hao Feng Qiang Li

Citation:  Wencheng Fang, Dong Liu, Ying Zhang, Hao Feng, Qiang Li. Improved Photoelectrochemical Performance by Polyoxometalate-Modified CuBi2O4/Mg-CuBi2O4 Homojunction Photocathode[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(2): 230400. doi: 10.3866/PKU.WHXB202304006 shu

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

    通讯作者: 冯浩, fenghao@njust.edu.cn
    李强, liqiang@njust.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划 2021YFF0500700

    国家自然科学基金 51976090

    国家自然科学基金 52006101

    国家自然科学基金 52006103

    江苏省碳达峰碳中和科技创新项目 BE2022024

    江苏省自然科学基金 BK20200491

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。

English

    1. [1]

      Rajeshwar, K.; Hossain, M. K.; Macaluso, R. T.; Janaky, C.; Varga, A.; Kulesza, P. J. J. Electrochem. Soc. 2018, 165, H3192. doi: 10.1149/2.0271804jes

    2. [2]

      Hu, Y.; Wang, J.; Huang, H.; Feng, J.; Liu, W.; Guan, H.; Hao, L.; Li, Z.; Zou, Z. J. Mater. Chem. A 2023, 11, 149. doi: 10.1039/d2ta07117g

    3. [3]

      Niu, J.; Peng, Y.; Hu, T.; Chen, Y.; Cheng, J.; Hu, Y. Chem. Eng. J. 2023, 454, 140203. doi: 10.1016/j.cej.2022.140203

    4. [4]

      Bruziquesi, C. G. O.; Stolzemburg, M. C. P.; de Souza, R. R.; Rodriguez, M.; Rocco, M. L.; Salomão, P. E. A.; Nogueira, A. E.; López-Cabaña, Z. E.; Pereira, M. C.; Silva, A. C. Int. J. Hydrog. Energy 2023, 48, 3456. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.10.195

    5. [5]

      Qu, L.; Tan, R.; Sivanantham, A.; Kang, M. J.; Jeong, Y. J.; Seo, D. H.; Kim, S.; Cho, I. S. J. Energy Chem. 2022, 71, 201. doi: 10.1016/j.jechem.2022.03.013

    6. [6]

      Gu, M.; Yan, Z.; Wu, X.; Li, Z.; Dong, Y.; Wang, G. L. Nanoscale 2023, 15, 2954. doi: 10.1039/d2nr05588k

    7. [7]

      Bi, Y.; Tan, G. Q.; Zhang, B. X.; Yang, Q.; Feng, S. J.; Liu, C. J.; Liu, W. L.; Xia, A.; Ren, H. J.; Liu, Y. J. Alloy. Compd. 2023, 941, 168992. doi: 10.1016/j.jallcom.2023.168992

    8. [8]

      Sun, M.; Chen, W.; Jiang, X.; Liu, B.; Tan, B.; Luo, L.; Xie, M.; Zhang, Z. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 43946. doi: 10.1021/acsami.2c12309

    9. [9]

      Gopannagari, M.; Reddy, D. A.; Hong, D. H.; Joshi Reddy, K. A.; Kumar, D. P.; Ahn, H. S.; Kim, T. K. J. Mater. Chem. A 2022, 10, 6623. doi: 10.1039/d1ta09956f

    10. [10]

      Bozheyev, F.; Ellmer, K. J. Mater. Chem. A 2022, 10, 9327. doi: 10.1039/d2ta01108e

    11. [11]

      Lee, J.; Yoon, H.; Kim, S.; Seo, S.; Song, J.; Choi, B. U.; Choi, S. Y.; Park, H.; Ryu, S.; Oh, J.; et al. Chem. Commun. 2019, 55, 12447. doi: 10.1039/c9cc06092h

    12. [12]

      Monny, S. A.; Zhang, L.; Wang, Z.; Luo, B.; Konarova, M.; Du, A.; Wang, L. J. Mater. Chem. A 2020, 8, 2498. doi: 10.1039/c9ta10975g

    13. [13]

      Tan, B.; Reyes, A. M.; Menéndez-Proupin, E.; Reyes-Lillo, S. E.; Li, Y.; Zhang, Z. ACS Energy Lett. 2022, 7, 3492. doi: 10.1021/acsenergylett.2c01750

    14. [14]

      Wang, X.; Liu, X.; Wu, Y.; Fu, Y.; Zhang, H.; Zhou, M.; Wang, Y. Appl. Catal. B-Environ. 2023, 323, 122182. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.122182

    15. [15]

      Lei, W.; Yu, Y.; Zhang, H.; Jia, Q.; Zhang, S. Mater. Today 2022, 52, 133. doi: 10.1016/j.mattod.2021.10.028

    16. [16]

      Fan, S.; Chen, Y.; Yang, L. J. Phys. Chem. C 2022, 126, 19446. doi: 10.1021/acs.jpcc.2c05593

    17. [17]

      Sauty, M.; Lopes, N. M.; Banon, J.-P.; Lassailly, Y.; Martinelli, L.; Alhassan, A.; Chow, Y. C.; Nakamura, S.; Speck, J. S.; Weisbuch, C. Phys. Rev. Lett. 2022, 129, 216602. doi: 10.1103/PhysRevLett.129.216602

    18. [18]

      Hasanvandian, F.; Zehtab Salmasi, M.; Moradi, M.; Farshineh Saei, S.; Kakavandi, B.; Rahman Setayesh, S. Chem. Eng. J. 2022, 444, 136493. doi: 10.1016/j.cej.2022.136493

    19. [19]

      Wang, Y.; Wang, H.; He, T. Chemosphere 2021, 264, 128508. doi: 10.1016/j.chemosphere.2020.128508

    20. [20]

      Li, C.; He, J.; Xiao, Y.; Li, Y.; Delaunay, J.-J. Energy Environ. Sci. 2020, 13, 3269. doi: 10.1039/d0ee02397c

    21. [21]

      Kumar, M.; Meena, B.; Subramanyam, P.; Suryakala, D.; Subrahmanyam, C. NPG Asia Mater. 2022, 14, 88. doi: 10.1038/s41427-022-00436-x

    22. [22]

      Hota, P.; Das, A.; Maiti, D. K. Int. J. Hydrog. Energy 2023, 48, 523. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.09.264

    23. [23]

      Zang, D.; Wang, H. Polyoxometalates 2022, 1, 9140006. doi: 10.26599/POM.2022.9140006

    24. [24]

      Gao, X.; Wang, J.; Xue, Q.; Ma, Y.-Y.; Gao, Y. ACS Appl. Nano Mater. 2021, 4, 2126. doi: 10.1021/acsanm.0c03406

    25. [25]

      Ma, K.; Dong, Y.; Zhang, M.; Xu, C.; Ding, Y. J. Colloid Interface Sci. 2021, 587, 613. doi: 10.1016/j.jcis.2020.11.018

    26. [26]

      Yu, L.; Liu, Q.; Ding, S.; Yu, J.; Peng, S.; Zhang, J.; Jiang, C.; Yang, G. Appl. Surf. Sci. 2022, 602, 154095. doi: 10.1016/j.apsusc.2022.154095

    27. [27]

      Xin, J.; Pang, H.; Jin, Z.; Wu, Q.; Yu, X.; Ma, H.; Wang, X.; Tan, L.; Yang, G. Inorg. Chem. 2022, 61, 16055. doi: 10.1016/j.jallcom.2022.164907

    28. [28]

      Du, J.; Ma, Y.-Y.; Cui, W.-J.; Zhang, S.-M.; Han, Z.-G.; Li, R.-H.; Han, X.-Q.; Guan, W.; Wang, Y.-H.; Li, Y.-Q. Appl. Catal. B-Environ. 2022, 318, 121812. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121812

    29. [29]

      Li, N.; Liu, J.; Dong, B. X.; Lan, Y. Q. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 20779. doi: 10.1002/anie.202008054

    30. [30]

      Wang, L.; Zhang, Q.; Wei, T.; Li, F.; Sun, Z.; Xu, L. J. Mater. Chem. A 2021, 9, 2912. doi: 10.1039/d0ta10303a

    31. [31]

      Wang, L.; Li, M.; Zhang, Q.; Li, F.; Xu, L. Inorg. Chem. Front. 2021, 8, 3566. doi: 10.1039/d1qi00503k

    32. [32]

      Keshipour, S.; Asghari, A. Int. J. Hydrog. Energy 2022, 47, 12865. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.02.058

    33. [33]

      Ogiwara, N.; Iwano, T.; Ito, T.; Uchida, S. Coord. Chem. Rev. 2022, 462, 214524. doi: 10.1016/j.ccr.2022.214524

    34. [34]

      McHugh, P. J.; Stergiou, A. D.; Symes, M. D. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2002453. doi: 10.1002/aenm.202002453

    35. [35]

      Zhang, M.; Li, H.; Zhang, J.; Lv, H.; Yang, G.-Y. Chin. J. Catal. 2021, 42, 855. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63714-7

    36. [36]

      Contant, R.; Klemperer, W. G.; Yaghi, O. Inorg. Synth. 1990, 27, 104. doi: 10.1002/9780470132586.ch18

    37. [37]

      Ross-Medgaarden, E. I.; Wachs, I. E. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 15089. doi: 10.1021/jp074219c

    38. [38]

      Xu, Y. X.; Jian, J.; Li, F.; Liu, W.; Jia, L. C.; Wang, H. Q. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 21997. doi: 10.1039/c9ta07892d

    39. [39]

      Sun, X.; Li, N.; Wang, X.; Mu, Y.; Su, C.; Cong, X.; Wang, X.; Wu, F.; Wu, G.; Chen, X. Biomater. Adv. 2022, 143, 213179. doi: 10.1016/j.bioadv.2022.213179

    40. [40]

      Kumar, M.; Ghosh, C. C.; Meena, B.; Ma, T. Y.; Subrahmanyam, C. Sustain. Energy Fuels 2022, 6, 3961. doi: 10.1039/d2se00600f

    41. [41]

      Li, T.; Li, M.; Jiang, J.; Zhao, Z.; Li, Z.; Zhao, C.; Wang, X.; Dong, S. Appl. Catal. B-Environ. 2023, 122539. doi: 10.1016/j.apcatb.2023.122539

    42. [42]

      Liu, S.; Zhu, L.; Cao, W.; Li, P.; Zhan, Z.; Chen, Z.; Yuan, X.; Wang, J. J. Alloy. Compd. 2021, 858, 157654. doi: 10.1016/j.jallcom.2020.157654

    43. [43]

      Cao, J.; Cen, W.; Jing, Y.; Du, Z.; Chu, W.; Li, J. Chem. Eng. J. 2022, 435, 134683. doi: 10.1016/j.cej.2022.134683

    44. [44]

      Zhang, X.; Dai, J.; Ding, J.; Tan, K. B.; Zhan, G.; Huang, J.; Li, Q. Catal. Sci. Technol. 2022, 12, 2426. doi: 10.1039/d1cy02185k

    45. [45]

      Wu, Z.; Zhang, Z.; Sun, M.; Tan, B.; Liu, B.; Han, W.; Xie, E.; Li, Y. Adv. Mater. Interfaces 2021, 8, 2101443. doi: 10.1002/admi.202101443

    46. [46]

      Xu, N.; Li, F.; Gao, L.; Hu, H.; Hu, Y.; Long, X.; Ma, J.; Jin, J. ACS Sustain. Chem. Eng. 2018, 6, 7257. doi: 10.1021/acssuschemeng.7b04133

    47. [47]

      Xu, X.; Li, Y.; Liu, C.; Zhang, P.; Fan, K.; Wu, X.; Shan, Y.; Li, F. Dalton Trans. 2023, 52, 5848. doi: 10.1039/d3dt00542a

    48. [48]

      Chen, Z.; Dinh, H. N.; Miller, E. Photoelectrochemical Water Splitting Standards, Experimental Methods, and Protocols; Springer: New York, NY, USA, 2013; pp. 63–68.

    49. [49]

      Hu, Y.; Hu, Q.; Qi, Y.; Zhang, W.; Liu, C.; Wang, Y.; Guan, H.; Hao, L. Dalton Trans. 2023, doi: 10.1039/d2dt04009c

    50. [50]

      Yuan, N.; Zhang, J.; Zhang, S.; Chen, G.; Meng, S.; Fan, Y.; Zheng, X.; Chen, S. J. Phys. Chem. C 2020, 124, 8561. doi: 10.1021/acs.jpcc.0c00422

    51. [51]

      Gu, L.; Hou, X.; Lei, Y.; Gou, S.; Yang, X.; He, W.; Zheng, Z. J. Alloy. Compd. 2022, 904, 163934. doi: 10.1016/j.jallcom.2022.163934

    52. [52]

      Wei, S.; Wang, C.; Long, X.; Wang, T.; Wang, P.; Zhang, M.; Li, S.; Ma, J.; Jin, J.; Wu, L. Nanoscale 2020, 12, 15193. doi: 10.1039/d0nr04473c

    53. [53]

      Lamers, M.; Sahre, M.; Müller, M. J.; Abou-Ras, D.; van de Krol, R.; Abdi, F. F. APL Mater. 2020, 8, 061101. doi: 10.1063/5.0003005

    54. [54]

      Berglund, S. P.; Abdi, F. F.; Bogdanoff, P.; Chemseddine, A.; Friedrich, D.; van de Krol, R. Chem. Mater. 2016, 28, 4231. doi: 10.1021/acs.chemmater.6b00830

    55. [55]

      Wang, J.; Ni, G.; Liao, W.; Liu, K.; Chen, J.; Liu, F.; Zhang, Z.; Jia, M.; Li, J.; Fu, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 62, e202217026. doi: 10.1002/anie.202217026

    56. [56]

      Wang, J.; Zhao, C.; Yuan, S.; Li, X.; Zhang, J.; Hu, X.; Lin, H.; Wu, Y.; He, Y. J. Colloid Interface Sci. 2023, 638, 427. doi: 10.1016/j.jcis.2023.02.005

    57. [57]

      Pakdel, A.; Khan, A. U.; Pawula, F.; Hébert, S.; Mori, T. Adv. Mater. Interfaces 2022, 9, 2200785. doi: 10.1002/admi.202200785

    58. [58]

      Li, M.; Tian, X.; Zou, X.; Han, X.; Du, C.; Shan, B. Int. J. Hydrog. Energy 2020, 45, 15121. doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.03.242

    59. [59]

      Fang, W.; Tao, R.; Jin, Z.; Sun, Z.; Li, F.; Xu, L. J. Alloy. Compd. 2019, 797, 140. doi: 10.1016/j.jallcom.2019.05.063

    60. [60]

      Baerends, E. J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2017, 19, 15639. doi: 10.1039/c7cp02123b

    61. [61]

      Dong, W. J.; Navid, I. A.; Xiao, Y.; Lee, T. H.; Lim, J. W.; Lee, D.; Jang, H. W.; Lee, J. L.; Mi, Z. J. Mater. Chem. A 2022, 10, 7869. doi: 10.1039/d2ta00032f

    62. [62]

      Tan, B.; Liu, B.; Sun, M.; Li, Y.; Cao, Z.; Zhang, Z. J. Mater. Chem. A 2022, 10, 9427. doi: 10.1039/D2TA00476C

    63. [63]

      Yang, L.; Wang, J.; Ma, T.; Zhang, L. J. Colloid Interface Sci. 2022, 611, 760. doi: 10.1016/j.jcis.2021.11.100

    64. [64]

      Jiang, W.; Zhang, L.; Ni, C.; Shi, M.; Zhao, Y.; Deng, Y.; Chi, H.; Chen, R.; Wang, X.; Li, R.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202302575. doi: 10.1002/anie.202302575

    65. [65]

      He, H.; Huang, X.; Liu, C.; Li, D.; Chen, S.; Yan, Z.; Liu, Y. Appl. Surfaces Sci. 2023, 610, 155493. doi: 10.1016/j.apsusc.2022.155493

    66. [66]

      Mary, A. S.; Murugan, C.; Pandikumar, A. J. Colloid Interface Sci. 2022, 608, 2482. doi: 10.1016/j.jcis.2021.10.172

    67. [67]

      Chen, J. J.; Vila-Nadal, L.; Sole-Daura, A.; Chisholm, G.; Minato, T.; Busche, C.; Zhao, T.; Kandasamy, B.; Ganin, A. Y.; Smith, R. M.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 8951. doi: 10.1021/jacs.1c10584

    68. [68]

      Gao, L.; Li, F.; Hu, H.; Long, X.; Xu, N.; Hu, Y.; Wei, S.; Wang, C.; Ma, J.; Jin, J. ChemSusChem 2018, 11, 2502. doi: 10.1002/cssc.201800999

    69. [69]

      Klahr, B.; Gimenez, S.; Fabregat-Santiago, F.; Hamann, T.; Bisquert, J. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 4294. doi: 10.1021/ja210755h

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  220
  • HTML全文浏览量:  9
文章相关
  • 发布日期:  2024-02-15
  • 收稿日期:  2023-04-03
  • 接受日期:  2023-05-22
  • 修回日期:  2023-05-19
  • 网络出版日期:  2023-06-02
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章