清华/郑大AFM：构建界面Fe-O-N/S键，有效抑制CoFe MTF/Fe2O3光阳极载流子复合

利用光电化学(PEC)水分解技术将可再生太阳能直接转化为绿色氢能，为解决当前全球能源危机提供了一条有希望的途径。在氧化物半导体光阳极中，赤铁矿(Fe₂O₃)由于其优异的光捕获能力、在碱性环境中的优异稳定性和无毒性而显示出独特的潜力。然而，由于光生电荷分离和转移效率低导致的快速载流子复合严重限制了Fe₂O₃基光阳极的性能，对其实际应用带来了巨大的挑战。构建异质结是提高催化剂PEC性能的有效途径，然而设计合理的Fe₂O₃基异质结构光阳极的关键挑战在于获得有效的界面接触和强大的内建电场。

基于此，清华大学朱永法和郑州大学易莎莎等设计了一种通过界面Fe-O-N/S键连接的CoFe金属硫酸盐框架(CoFe MTF)/Fe₂O₃光阳极，以调控光生电荷载流子的分离行为，从而提高PEC水氧化性能。

研究表明，这种Fe-O-N/S界面键在Fe₂O₃和CoFe MTF的浅陷阱态之间起到了直接电荷转移桥的作用，从而延长了载流子复合寿命(CoFe MTF/Fe₂O₃为85 ns，Fe₂O₃为37 ns)，提高了电荷转移效率。另外，在CoFe MTF/Fe₂O₃ p-n异质结中建立了一个强大的界面电场，促进了有效的电荷转移。因此，CoFe MTF/Fe₂O₃光阳极表现出显著的水氧化增强，光电流密度比原始Fe₂O₃增加了三倍。

基于实验分析与Fe₂O₃和CoFe MTF的能带位置，研究人员提出了在CoFe MTF/Fe₂O₃光阳极上增强PEC水氧化的潜在机制：对于原始的Fe₂O₃光阳极，光照首先产生光生电子和空穴。然而，由于其高的表面态密度和缓慢的电荷转移速率，导致了严重的表面/体电荷复合。此外，丰富的表面态可能导致费米能级钉扎效应，导致光电压降低，从而阻止光生空穴的准费米能级达到水氧化电位。所有这些因素导致Fe₂O₃光阳具有极低的PEC性能。

对于CoFe MTF/Fe₂O₃异质结构，CoFe MTF导带中的电子可以转移到Fe₂O₃，而Fe₂O₃VB中的空穴可以通过CoFe MTF/Fe₂O₃异质结构内部的Fe-O-N/S界面键在强外加电场作用下快速转移到CoFe MTF，导致更有效的电荷分离和转移，这是CoFe MTF/Fe₂O₃ PEC性能提高的决定性因素。

综上，这项研究阐明了异质结构的两个组成部分之间的界面结合在控制光生电荷载流子行为中的关键作用，为设计高效的光电极提供了理论基础。

Interfacial charge transfer bridge prolongs carrier recombination lifetimes of CoFe metal-thiolate framework/hematite photoanode for water oxidation. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202313767

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