催化学报 ›› 2024, Vol. 64: 77-86.DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60093-8

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赤铁矿光阳极界面钛原子在析氧反应多位点机制中的作用: 反应活性位点还是助催化位点?

谢旻斐a,1, 姬星b,1, 孟华颖b,1, 姜南冰b, 罗贞玉b, 黄千千a, 孙耿b,*(), 张云怀b,*(), 肖鹏a,*()   

  1. a重庆大学物理学院, 重庆市界面物理能量转化重点实验室, 重庆 401331
    b重庆大学化学化工学院, 重庆 401331
  • 收稿日期:2024-03-23 接受日期:2024-07-08 出版日期:2024-09-18 发布日期:2024-09-19
  • 通讯作者: * 电子邮箱: sungengemail@cqu.edu.cn (孙耿),zyh2031@cqu.edu.cn (张云怀),xiaopeng@cqu.edu.cn (肖鹏).
  • 作者简介:1共同第一作者.
  • 基金资助:
    中央高校基础研究基金(2022CDJQY-007);中央高校基础研究基金(2022CDJJCLK001);中央高校基础研究基金(2023CDJXY-046)

The role of titanium at the interface of hematite photoanode in multisite mechanism: Reactive site or cocatalyst site?

Minfei Xiea,1, Xing Jib,1, Huaying Mengb,1, Nanbing Jiangb, Zhenyu Luob, Qianqian Huanga, Geng Sunb,*(), Yunhuai Zhangb,*(), Peng Xiaoa,*()   

  1. aChongqing Key Laboratory of Interface Physics in Energy Conversion, College of Physics, Chongqing University, Chongqing 401331, China
    bCollege of Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University, Chongqing 401331, China
  • Received:2024-03-23 Accepted:2024-07-08 Online:2024-09-18 Published:2024-09-19
  • Contact: * E-mail: sungengemail@cqu.edu.cn (G. Sun),zyh2031@cqu.edu.cn (Y. Zhang),xiaopeng@cqu.edu.cn (P. Xiao).
  • About author:1Contributed equally to this work.
  • Supported by:
    Fundamental Research Funds for the Central Universities(2022CDJQY-007);Fundamental Research Funds for the Central Universities(2022CDJJCLK001);Fundamental Research Funds for the Central Universities(2023CDJXY-046)

摘要:

赤铁矿(Fe2O3)是光电催化析氧反应(OER)中极具潜力的半导体光阳极材料之一, 其性能的提升一直是研究热点. 近期研究表明, 在碱性环境中, Fe2O3光阳极的OER反应速率与其表面空穴密度之间存在幂律依赖性. 与单位点质子耦合电子转移(PCET)机制(*OH → *O → *OOH → O2)不同, Fe2O3上的OER遵循多位点反应机制, 即表面羟基(*OH)通过空穴的氧化积累转化为氧基(*O), 随后在相邻活性位点间发生O-O耦合. 钛(Ti)掺杂是提升Fe2O3上OER性能的重要手段之一, 但Ti等异质原子在多位点反应机制中的具体作用(是活性位点还是助催化位点)尚不明晰.

为探明Ti等异质原子的具体作用, 本文利用电化学光-暗态扫描方法识别碱性环境中OER反应中间态, 并结合密度泛函理论(DFT)计算, 考察了异质Ti原子在赤铁矿OER多位点反应路径中的作用机制. 首先, 通过水热法将Fe2O3纳米棒分别生长在金属Ti基底及氟掺杂二氧化锡(FTO)导电基底上, 构建了Fe2O3/Ti和Fe2O3/FTO两种复合材料体系. 实验发现, Fe2O3/Ti体系的最佳退火温度为550 °C. 在此条件下, X射线衍射分析不仅展现了α-Fe2O3衍射峰, 还检测到了金红石TiO2(110)晶面的衍射峰. 侧面高分辨球差电镜测试结果表明, Fe2O3/Ti表面覆盖有一层约120 nm厚的Fe2O3层; 而在Ti基底与Fe2O3之间, 则存在厚度约为100 nm的Ti氧化层. 值得注意的是, 尽管在Fe2O3体相内并未观察到明显的Ti原子掺杂现象, 但推测在高温退火条件下, 可能有少量Ti原子会扩散到Fe2O3界面. X射线光电子能谱测试表明, Fe2O3/Ti复合材料界面处Fe与Ti元素间存在显著的相互作用, 其中Fe位点作为电子给体, Ti位点则作为电子受体.

为了深入理解这一相互作用对OER的影响, 进行了不同pH环境下的电化学光-暗态扫描研究. 结果发现, 在pH 7‒10的范围内, Fe2O3/Ti和Fe2O3/FTO两种光阳极都展现出了Fe=O中间态, 这表明在此条件下的OER遵循单位点PCET机制, 且Fe=O向Fe-OOH的转化是反应决速步骤. 然而, 当pH≥11时, Fe2O3/FTO的Fe=O中间态消失, Fe-OH中间态出现, 说明在碱性环境下OER反应机制转变为多位点主导, 其中*OH到*O的转化是新的反应决速步. 值得注意的是, 同样是在pH≥11条件下, Fe₂O₃/Ti体系则表现出不同的中间态特征, 仅检测到Ti-OH中间态而未观察到Fe-OH中间态. 根据这一现象推断, Ti-OH中的H可能来源于两个方面: 一是与溶液中的OH⁻离子及光生空穴反应生成; 二是从可能存在的Fe-OH结构上迁移而来. 为了进一步验证这一推断并深入理解反应机制, 结合DFT计算, 对多位点反应路径下的两种可能机制进行了自由能分析. 结果表明, 相较于Ti=O与Fe=O耦合生成O2的路径, Fe=O之间直接耦合生成O2的路径具有更低的反应能垒. 在此机制中, Ti位点作为助催化中心, 通过两个非电化学反应从Fe-OH上夺取质子, 从而促进了Fe=O之间的耦合. 值得注意的是, Ti-OH + Fe-OH → Ti-OH2 + Fe=O这一非电化学反应过程需要吸热, 因此相对较难进行. 这也解释了为何在Fe2O3/Ti复合材料中, 能够在碱性环境下检测到Ti-OH中间态的存在.

综上所述, 本文通过电化学光-暗态扫描与DFT计算相结合的方法, 深入探讨了异质原子在Fe2O3光阳极多位点OER反应机制中的助催化作用. 研究发现, Ti位点作为助催化中心, 通过非电化学反应从Fe-OH上夺取质子, 促进了相邻Fe=O耦合生成O2, 从而提升了反应动力. 这一发现不仅揭示了异质原子在光电催化OER中的作用机制, 也为开发更高效的光阳极材料提供了新的思路和理论依据.

关键词: 赤铁矿, 析氧反应, 多位点机制, 中间态, 质子捕获

Abstract:

Hematite (α-Fe2O3) constitutes one of the most promising photoanode materials for oxygen evolution reaction (OER). Recent research on Fe2O3 have found a fast OER rate dependence on surface hole density, suggesting a multisite reaction pathway. However, the effect of heteroatom in Fe2O3 on the multisite mechanism is still poorly understood. Herein we synthesized Fe2O3 on Ti substrates (Fe2O3/Ti) to study the oxygen intermediates of OER by light-dark electrochemical scans. We identified the Fe-OH species disappeared and Ti-OH intermediates appeared on Fe2O3/Ti when pH = 11‒14, which significantly improved the OER performance of Fe2O3/Ti. Combined with the density functional theory calculations, we propose that Ti atom acts as cocatalyst site and captures proton from neighboring Fe-OH species under highly alkaline condition, thereby promoting the coupling of Fe=O and reducing the energy barrier of the non-electrochemical step. Our work provides a new insight into the role of heteroatom in OER multisite mechanism based on clarifying the reaction intermediates.

Key words: Hematite, Oxygen evolution reaction, Multisite mechanism, Intermediate, Proton capture