PART01
文章信息
Shixuan Zhao, Bin Liu, Gong Zhang, Qingzhen Wang, Yuan Cai, Yuting Tong, Shujie Wang, Peng Zhang, Tuo Wang, Jinlong Gong. Sputtered Stainless Steel on Silicon Photoanode for Stable Seawater Splitting in Photoelectrochemical Flow Cell. Trans Tianjin Univ, 2023, https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-023-00374-x
https://doi.org/10.1007/s12209-023-00374-x
PART02
本文亮点
1. 本文提出了在硅光阳极上溅射不同类型的不锈钢(SS)薄膜的设计和制造，使海水和半导体衬底完全隔离。
2.与PEC流动电解池耦合后，由于溅射不锈钢对半导体基底的保护作用，包覆316 SS助催化剂的光阳极在高碱性KOH (30 wt.%，7.64 mol/L)的天然海水中稳定运行70 h，而PEC海水分裂系统的产氢率达到600 μmol/(h•cm2)，创历史记录。
3. SS中适当的Ni/Fe比保证了显著的析氧活性，而氧化铬通过调节光阳极的微环境保证了海水介质中有效的防腐效果。因此，利用溅射SS助催化剂的光阳极制备PEC流动电解池是一种可行的PEC海水分解策略。
PART03
内容简介
人工光合作用是一种可持续的制氢方法，为解决环境问题和能源储存提供了有效的策略。结合太阳能的水电解制氢，主要以高纯水为原料。然而，考虑到淡水资源的稀缺性，特别是在一些干旱的沙漠情况下，有必要寻找容易获得的原料进行人工光合作用制氢。因此，直接电解低品位或含盐水，避免了海水淡化的高能耗，打破了淡水对人工光合作用的限制。光电化学(PEC)海水分解结合了海水和太阳能这两种最广泛、最丰富的可再生资源，是一种很有前途的能源可持续转化技术。
提高PEC海水分解能源利用效率的另一个有效策略是将太阳能转换与工业上经过验证的满足工业制氢要求的电解槽配置相结合。PEC流动电池可以减少电极间的传质阻力，如气泡积聚问题。然而，将光电极与PEC流动电池相结合仍然是一个巨大的挑战，因为由于大多数正照的光电极表面负载较厚的助催化剂将导致寄生光吸收的问题，因此在流动电解池中应用传统的光电极是困难的。
为了探索SS材料作为海水分裂共催化剂的潜力，本文设计和制造了背照的硅光阳极，在衬底表面采用直流磁控管溅射304 SS或316 SS薄膜作为助催化剂层。在KOH浓度为30 wt.%的天然海水中对SS包覆光阳极进行了测试，结果表明SS包覆光阳极能有效抑制有害副反应，O2法拉第效率高达95%以上。因此，SS包覆光阳极进一步结合背照式PEC流动电解池，减少了气泡积聚的传质阻力。在双电极配置下，该PEC海水分裂流池稳定运行70 h以上。
PART04
图文导读
图1
图1 （a）SS共催化剂的表征:扫描电镜(SEM)图像和相应的能量色散能谱图和（b）316 SS膜的截面SEM图像。（c）304 SS和316 SS薄膜的x射线衍射图。316 SS和304 SS共催化剂的（d）Ni、（e）Fe和（f）Cr的x射线光电子能谱结果。
图2 在含氯碱性电解液中，AM 1.5 G光照下，包覆316 SS膜、304 SS膜和Ni的光阳极的（a）电流密度电位(J-V)曲线，（b） ABPE和（c）EIS。（d）不同助催化剂对光阳极在含氯碱性电解质中1.5 V与RHE稳定性的测试。（a-d为1 mol/L KOH + 0.5 mol/L NaCl测定条件）。
图3 （a）J-V曲线，（b）相应的外加偏置光子电流效率曲线，（c）在碱性天然海水中涂覆316 SS膜的光阳极稳定性测试。
图4（a） PEC流动池示意图。（b）涂有SS与流动电池耦合的光阳极的横截面。
图5 （a）在三电极体系中，316 SS膜包覆光阳极的J-V曲线和（b）外加偏置光子电流效率。（c）J-V曲线，（d）产氢速率，（e）两电极系统在流动池中的稳定性试验。在30 wt.% KOH +的天然海水中，采用涂有316 SS膜的光阳极测量了a-e中的数据。
PART05
通讯作者简介
王拓
教授，获天津大学学士学位，在德克萨斯大学奥斯汀分校获得化学工程博士学位。在获得了一年的博士后研究经验后，加入了位于俄勒冈州图拉丁的Lam research Corp.团队，担任工艺开发工程师。后加入天津大学化学工程学院，研究重点是用于光电极的薄膜材料。
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