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武利民/王蕾/贺进禄Nature子刊:SAs Pt: Fe2O3-Ov助力光电化学水分解
由于赤铁矿(α-Fe2O3)具有15.5%的理论太阳能-氢气转换效率,科学家们一直致力于改善其光电化学水分解性能,但低置压光子-电流效率仍然是实际应用的巨大挑战。


基于此,内蒙古大学武利民教授、王蕾教授和贺进禄研究员等人报道将单原子铂(SAs Pt)位点与氧原子配位(Pt-O/Pt-O-Fe)位点引入单晶α-Fe2O3纳米片光阳极(SAs Pt: Fe2O3-Ov)中。最佳SAs Pt: Fe2O3-Ov光阳极在1.23和1.5 VRHE下分别表现出3.65和5.30 mA cm−2的光电化学性能,α-Fe2O3基光阳极的偏置光子电流效率为0.68%。
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作者利用DFT计算了投射态密度(PDOS)和电子定位函数(ELF),以确定Pt NPs和Pt SAs的负载是否会影响Fe2O3几何形状的电子结构和电子迁移率,并将样品记为NPs Pt/Fe2O3和SAs Pt: Fe2O3
计算得到Fe2O3的直接带隙约为2.0 eV,与文献值(2.1 eV)一致。对于NPs Pt/Fe2O3,部分Pt原子与表面氧结合,而其他Pt原子则表现出金属性质,形成Pt-Pt键。Pt NPs在Fe2O3的带隙之间引入了几乎连续的状态,促进了光生电子从Fe2O3转移到Pt NPs。
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将Pt纳米颗粒缩小到单原子水平,Pt原子与O原子形成Pt-O共价键,对比NPs Pt/Fe2O3,在带隙内产生了几个电荷捕获状态,主要由SAs Pt原子组成,可捕获光生成的载流子并加速电子-空穴分离。
此外,ELF表明,掺杂Pt降低了电子局域化,有利于提高电子传递速率。NPs Pt/Fe2O3中存在较强的Pt-O和金属-金属相互作用,而SAs Pt: Fe2O3中则不存在Pt-O和金属-金属相互作用。结果表明,SAs Pt掺杂可以促进电子的分离和转移,从而提高性能。
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Single-atomic-site platinum steers photogenerated charge carrier lifetime of hematite nanoflakes for photoelectrochemical water splitting. Nat. Commun., 2023, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-38343-6.




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