用于光解水的表面碳覆盖的氧化铁纳米结构研究

　　随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出，太阳能的利用因其清洁、安全、便利等特点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。α-Fe₂O₃目前正在成为新型光解水材料的研究热点之一。α-Fe₂O₃具有很多优点，它在水环境中具有很好的稳定性，它的带隙合适（2.0-2.2 eV），根据理论计算这个带隙宽度可以将16.8%的太阳光转化为氢气（作为对比，具有2.6 eV带隙的WO3转化为氢气的最高效率仅为8%）。此外，氧化铁材料具有一个最大的优势：原材料常见且便宜。氧化铁由氧和铁这两种非常常见的元素组成，铁是地壳中含量第四丰富的元素（重量比为6.3%），这种元素非常容易被氧化成氧化铁，地面上经常看到的裸露的红色岩石很多就是因为含有氧化铁。氧化铁的含量非常丰富，可以大大降低光解水过程中原材料的成本。正是由于氧化铁具有的多种优势，这几年作为潜在的优质光解水材料得到了大量的关注。但是，在氧化铁具备多种优势的同时，也存在不少的缺点，使其在现阶段还不能投入到大规模的商业应用中。 

　　目前对氧化铁材料进行处理提高效率的方法有很多，有目的的控制氧化铁材料形貌的生长、掺杂、表面修饰提高其导电性等是几种常用的办法。在此过程中氧化铁的电子结构会发生变化，由于氧化铁光解水的过程发生在表界面，往往部分区域电子结构的调控能带来效率的极大提高。同步辐射软X射线吸收谱非常适用于研究氧的K边和过渡金属L边的电子结构变化，能够精确的给出同一材料中各种元素的存在形态以及相互作用，通过分析其谱峰结构能够清晰的掌握其结构变化，是研究氧化铁光解水过程的有力工具。 

　　苏州大学科研人员发展了一种简易的方法制备表面碳覆盖的氧化铁纳米结构。通过在坩埚中热分解二茂铁将氧化铁纳米结构沉积在FTO玻璃上，由于坩埚中有限的空气量，二茂铁中的碳不会完全燃烧，而是覆盖在纳米氧化铁上。这种表面覆盖碳的氧化铁纳米结构相比未覆盖区域光解水的电流提高了4倍以上，达到了纯氧化铁材料光解水的一个高效率。实验通过TEM，XPS等方法验证了表面碳层的存在，这种碳层使氧化铁纳米结构表面保持了一种低氧化态，提高电荷密度，从而提高了表面层的导电性，进而提高氧化铁光解水效率。对这种表面低氧化态的探测是在北京同步辐射装置软X射线实验站实现的。通过吸收谱我们可以看到表面碳覆盖和未覆盖区域氧边有明显差别，碳覆盖区域氧边边前结构强度降低，对比参考文献中氧化铁和四氧化三铁（氧化亚铁）的氧边谱发现这种碳覆盖区域的变化是由于有低价态铁存在造成的。吸收谱实验验证了这种碳覆盖带来的氧化铁表面电子结构变化，从而很好的解释了氧化铁光解水效率的提高机理。相关研究成果发表在2013年的《Energy & Environmental Science》上。表面碳覆盖的氧化铁纳米结构TEM图（上图）和利用北京同步辐射装置（BSRF）得到的表面碳覆盖（CH）和未覆盖（EH）的氧化铁纳米结构吸收谱图（下图），结果清晰的展示了表面碳覆盖后氧化铁纳米结构的电子结构变化，其呈现的低价态导致光解水效率提高。

　　表面碳覆盖的氧化铁纳米结构TEM图（上图）和利用北京同步辐射装置（BSRF）得到的表面碳覆盖（CH）和未覆盖（EH）的氧化铁纳米结构吸收谱图（下图），结果清晰的展示了表面碳覆盖后氧化铁纳米结构的电子结构变化，其呈现的低价态导致光解水效率提高。

　　发表文章： 

　　Jiujun Deng, Xiaoxin Lv, Jing Gao, Aiwu Pu, Ming Li, Xuhui Sun* and Jun Zhong*, Facile Synthesis of Carbon-coated Hematite Nanostructures for Solar Water Splitting, Energy & Environmental Science 6 (2013), 1965-1970.