Author Affiliations
Abstract
School of Physics, Shandong University, Jinan 250100, P. R. China
The photocatalytic water splitting kinetics has been analyzed in this paper. The experimental data are taken from the published works and fitted with different theoretical models. From the results, we find that the photocatalytic kinetics of water splitting can be described by Capelas-Mainardi–Vaz (CMV) model very well. This suggests that the water splitting kinetics can be regarded as a fractional first-order kinetics of the chemical reaction. Also, we notice that photocatalytic water splitting is not always completely a monotone kinetics process.
Photocatalytic kinetics water splitting CMV model fractional calculus 
Journal of Advanced Dielectrics
2023, 13(5): 2350015
作者单位
摘要
1 中国计量大学材料与化学学院,杭州 300018
2 河北民族师范学院,承德 067000
3 中国计量大学光学与电子科技学院,杭州 300018
近年来,通过光伏辅助电催化(PV-EC)分解水制备“绿氢”成为实现碳中和目标的关键。然而,普通电解水催化剂不能满足PV-EC系统中较高的太阳能到氢能(STH)转换效率的需求。因此,获取价格低廉、低反应过电势的电催化剂材料极为重要。本文选取具有高价态的过渡金属W作为掺杂源,采用一步电沉积方法制备出NiFeW三元金属磷化物。通过一系列的表征发现,NiFeW磷化物电催化剂表现出优异的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)活性,且作为双功能电催化剂时,在10 mA/cm2电流密度下W掺杂后样品的过电势降低了51 mV。使用NiFeW磷化物作为双功能电催化剂和太阳能电池(a-Si∶H/a-SiGe∶H/a-SiGe∶H)作为驱动源,PV-EC器件实现了超过7%的理论STH转换效率,对推动太阳能分解水制氢装置的实际应用具有重要意义。
电解水制氢 双功能电催化剂 光伏辅助电催化 太阳能电池 过渡金属磷化物 掺杂 electrocatalytic water splitting for hydrogen evol bifunctional electrocatalyst PV-EC solar cell transition metal phosphide doping 
人工晶体学报
2023, 52(8): 1491
作者单位
摘要
海南大学材料科学与工程学院, 南海海洋资源利用国家重点实验室, 海口 570228
开发高催化活性和廉价催化剂是催化分解水制氢技术的关键。过渡金属氮化镍(Ni3N)具有优异的热/化学稳定性、电化学活性和类贵金属特性, 吸引了越来越多研究者的兴趣。然而, Ni3N碱性电催化析氢反应过程中, 水的解离效率低, 且对反应中间体质子的吸附太强, 这两个因素导致Ni3N的性能远低于Pt, 还有很大的改进空间。本文通过水热-氮化两步法成功制备了Ru掺杂多孔纳米片Ni3N/Ru。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对Ni3N/Ru材料的组成、形貌和结构进行表征, 通过X射线光电子衍射仪(XPS)对催化机理进行分析, 并研究Ru掺杂量对Ni3N材料形貌和电催化性能的影响。结果表明, 6.30%Ru负载的Ni3N在1 mol/L KOH电解液中驱动10 mA·m-2的电流密度仅需要49 mV过电位, 可以和商业Pt/C相媲美(46 mV@10 mA·cm-2)。将其应用于两电极全解水体系, 仅需1.54 V的电压即可获得10 mA·cm-2的电流密度。突出的催化性能归因于Ru掺杂Ni3N有效提升水解离, 并使Ni3N中Ni和N的电子云密度降低, 促进吸附氢中间体的形成过程(H++e-= H*), 改善析氢反应动力学, 进而提升其电催化性能。
Ru掺杂 电催化析氢 电催化析氧 电催化性能 全解水 Ni3N Ni3N Ru doping electrocatalytic hydrogen evolution electrocatalytic oxygen evolution electrocatalytic performance overall water splitting 
人工晶体学报
2023, 52(9): 1698
作者单位
摘要
海南大学材料科学与工程学院, 南海海洋资源利用国家重点实验室,海口 570228
电催化制氢通过析氢反应(HER)和析氧反应(OER)同时产生氢气(H2)和氧气(O2), 是一种高效且环境友好的产氢方式。但现阶段商业化的高效催化剂价格昂贵且储量较少, 限制了电解水技术的大规模应用。因此, 开发低成本、高稳定和环境友好的高效电催化剂, 特别是基于非贵金属材料的磷化物电催化剂, 成为近期研究热点。本研究通过水热和相对较低的磷化温度成功制备出了具有镂空纳米花结构的Mo掺杂Ni5P4催化剂。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对Mo-Ni5P4催化剂进行了表征, 并研究了Mo-Ni5P4材料的电化学性能。研究发现, 所合成的催化剂凭借掺杂对电子结构的改变, 以及多孔纳米片的大表面积优势, 提高了HER水解离步骤的速率。在碱性电解液中, Mo负载下的Ni5P4仅需116 mV的析氢过电位就可实现10 mA·cm-2的电流密度, 同时析氧过电位只需255 mV。在双电极配置中仅需1.608 V的电池电压, 持续测试27 h后, 催化剂仍显示出良好的稳定性。
掺杂 电催化析氢 电催化析氧 电催化全解水 Ni5P4 Ni5P4 Mo Mo doping electrocatalytic hydrogen evolution electrocatalytic oxygen evolution overall water splitting 
人工晶体学报
2023, 52(9): 1691
作者单位
摘要
1 沈阳大学机械工程学院, 沈阳 110044
2 沈阳大学师范学院, 沈阳 110044
通过第一性原理计算研究了四种二维双层MoSSe/WSSe范德瓦耳斯异质结的光电性质。声子谱表明四种结构具有可靠的热力学稳定性。根据堆垛方式的不同, 双层MoSSe/WSSe异质结可以是间接或直接半导体。而且, 两种Janus型MoSSe/WSSe异质结具有1.22和1.88 eV的适中带隙、显著的可见光吸收系数、跨越了水氧化还原电位的带边位置。因此, Janus型的MoSSe/WSSe异质结构在光催化水分解领域具有一定的应用前景。
第一性原理计算 Janus二维异质结 光催化水分解 声子色散谱 电子结构 光吸收 first-principle calculation Janus two-dimensional heterostructure photocatalytic water splitting phonon dispersion spectrum electronic structure light absorption 
人工晶体学报
2023, 52(9): 1668
王如意 1,2徐国良 1,2,3杨蕾 1,2,*邓崇海 1,2[ ... ]孙兆奇 5,*
作者单位
摘要
1 1.合肥学院 能源材料与化工学院, 合肥 230601
2 2.合肥学院 先进电池材料与技术重点实验室, 合肥 230601
3 3.长鑫存储技术有限公司, 合肥 230000
4 4.安徽大学 物质科学与信息技术研究院, 合肥 230039
5 5.安徽大学 材料科学与工程学院, 合肥 230039
钒酸铋(BVO)可用于光电化学(PEC)水解产氢, 但受限于其缓慢的表面水氧化动力学, 在电极表面修饰单一的析氧助催化剂达不到理想的性能。本工作在BVO电极表面修饰FeNiOx助催化剂可以显著降低起始电压, 增强光电化学性能。此外, 沉积g-C3N4后修饰FeNiOx助催化剂得到的光电极具有更优异的性能。厚度适合的g-C3N4纳米片与BVO构成Ⅱ型p-n异质结, 有效抑制了光生电子空穴的复合, 促进了电极的电荷分离。电化学测试结果表明, 沉积了g-C3N4后, 电极的电荷分离效率达到88.2%, 比BVO/FeNiOx (60.6%)提升了近1.5倍。经过g-C3N4和FeNiOx协同修饰的BVO/g-C3N4/FeNiOx电极, 表面电荷注入效率达到了90.2%, 同时, 在1.23 V (vs. RHE)条件下光电流密度达到4.63 mA∙cm-2, 是纯BVO (1.86 mA∙cm-2)的2.48倍。本工作为开发制备高性能光阳极提供了一种有效的策略。
g-C3N4纳米片 BiVO4 光电化学水解 FeNiOx助催化剂 p-n异质结 g-C3N4 nanosheets BiVO4 PEC water splitting FeNiOx co-catalyst p-n heterojunction 
无机材料学报
2023, 38(1): 87
Jie Li 1,2†Kaige Huang 3,4,5†Yanbin Huang 2,*Yumin Ye 6[ ... ]Zhanguo Wang 3,4,5
Author Affiliations
Abstract
1 College of Mechanical and Electrical Engineering, Handan University, Handan 056005, China
2 Hebei International Joint Research Center for Computational Optical Imaging and Intelligent Sensing, Hebei International Joint Research Center for Computational Optical Imaging and Intelligent Sensing, School of Mathematics and Physics Science and Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China
3 Key Laboratory of Semiconductor Materials Science, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
4 Beijing Key Laboratory of Low Dimensional Semiconductor Materials and Devices, Beijing 100083, China
5 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
6 Department of Materials Science and Engineering, Faculty of Materials Science and Chemical Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211, China
7 Faculty of Physics, Adam Mickiewicz University Poznan, 61-614 Poznan, Poland
8 Guangdong-Hong Kong Joint Laboratory for Water Security, Engineering Research Center of Ministry of Education on Groundwater Pollution Control and Remediation, Center for Water Research, Advanced Institute of Natural Sciences, Beijing Normal University at Zhuhai, Zhuhai 519087, China
Developing low-cost, efficient, and stable photocatalysts is one of the most promising methods for large-scale solar water splitting. As a metal-free semiconductor material with suitable band gap, graphitic carbon nitride (g-C3N4) has attracted attention in the field of photocatalysis, which is mainly attributed to its fascinating physicochemical and photoelectronic properties. However, several inherent limitations and shortcomings—involving high recombination rate of photocarriers, insufficient reaction kinetics, and optical absorption—impede the practical applicability of g-C3N4. As an effective strategy, vacancy defect engineering has been widely used for breaking through the current limitations, considering its ability to optimize the electronic structure and surface morphology of g-C3N4 to obtain the desired photocatalytic activity. This review summarizes the recent progress of vacancy defect engineered g-C3N4 for solar water splitting. The fundamentals of solar water splitting with g-C3N4 are discussed first. We then focus on the fabrication strategies and effect of vacancy generated in g-C3N4. The advances of vacancy-modified g-C3N4 photocatalysts toward solar water splitting are discussed next. Finally, the current challenges and future opportunities of vacancy-modified g-C3N4 are summarized. This review aims to provide a theoretical basis and guidance for future research on the design and development of highly efficient defective g-C3N4.
g-C3N4 vacancy defect water splitting photocatalyst charge carrier 
Journal of Semiconductors
2023, 44(8): 081701
作者单位
摘要
1 中国计量大学材料与化学学院, 杭州 300018
2 河北民族师范学院, 承德 067000
近年来, 二维磷烯(2D BP)因其较短的电荷传输距离、高载流子迁移率和充分暴露的表面活性位点, 成为电催化剂的理想材料。然而, 不适合的含氧中间体吸附能使其反应动力学迟缓, 进而限制了其实际应用。本文通过引入颗粒状的非晶Ni2P化合物, 构建Ni2P@BP异质结, 在改善反应活性的基础上, 提高其电化学稳定性。研究结果表明: 相较于纯BP和Ni2P电催化剂, Ni2P@BP催化剂展现出优异的析氢(HER)和析氧(OER)催化活性, 在10 mA/cm2电流密度下的过电势分别为167和186 mV。Ni2P@BP作为双功能电催化剂, 仅需1.54 V的外加偏压(Vapp)就可以实现10 mA/cm2的电流密度。将其与a-Si:H/a-SiGe:H/a-SiGe:H三结叠层太阳电池连接, 实现了超过7%的太阳能制氢(STH)转换效率, 相较于作为双功能电催化剂的纯BP提高了95%。
电催化剂 二维磷烯 太阳能制氢 太阳能电池 全分解水 electrocatalyst 2D phosphorene Ni2P Ni2P solar to hydrogen solar cell overall water splitting 
人工晶体学报
2023, 52(4): 645
作者单位
摘要
1 Key Laboratory of Automobile Materials MOE, School of Materials Science and Engineering, Electron Microscopy Center, and International Center of Future Science, Jilin Provincial International Cooperation Key Laboratory of High-Efficiency Clean Energy Materials, Jilin University, Changchun 130012, China
2 Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
3 State Key Laboratory of Luminescence and Applications, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China
Oxygen evolution reaction Hydrogen evolution reaction Bifunctional electrocatalyst Overall water splitting 
Frontiers of Optoelectronics
2022, 15(3): s12200
胡越 1安琳 1韩鑫 2,*侯成义 1[ ... ]张青红 3,*
作者单位
摘要
1 1.东华大学 材料科学与工程学院, 纤维材料改性国家重点实验室, 上海 201620
2 2.华东理工大学 化工学院, 化学工程国家重点实验室, 上海 200237
3 3.东华大学 材料科学与工程学院, 教育部先进玻璃制造技术工程中心, 上海 201620
钒酸铋是最具有光电催化应用潜力的水分解光电阳极之一, 但由于表面缓慢的动力学反应速率, 其光电催化效率仍不理想。本研究通过浸渍法在BiVO4薄膜光阳极上负载纳米RhO2助催化剂, 研究RhO2负载量对BiVO4光阳极光电催化性能的影响规律及其机理。晶粒尺寸10~25 nm的RhO2均匀负载在颗粒尺寸100~250 nm、厚度约为400 nm的BiVO4光阳极薄膜表面。考虑到贵金属铑的昂贵成本, RhO2的最佳负载量为质量分数1.65%, 在偏压1.23 V (vs. RHE)、1.0 mol/L Na2SO3溶液中(pH8.5)AM 1.5模拟可见光照射下, 光电流密度达3.81 mA·cm-2, 相较纯BiVO4提升了10.58倍。在没有有机牺牲剂的条件下, 光阳极同时析出了氢气和氧气, 两者比例接近2 : 1, 产氧速率为8.22 μmol/(h·cm2)。负载RhO2有效改善了光阳极的表面水氧化动力学, 使光生空穴更快与电解质溶液进行水氧化反应, 抑制光生载流子复合, 从而显著提升光电催化性能。另外, 负载RhO2后, 空穴更容易从光阳极表面被有效提取到电解质溶液中, 减少其在光阳极表面积累, 从而使BiVO4/RhO2(1.65%)光阳极可持续稳定工作10 h以上。
钒酸铋 氧化铑 助催化剂 光电催化 分解水 BiVO4 RhO2 cocatalyst photoelectrocatalysis water splitting 
无机材料学报
2022, 37(8): 873

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