近日，澳门京葡娱乐网武利民教授和王蕾教授團隊在Cell Press細胞出版社旗下期刊Matter上發表了題為“Unveiling the Promotion of Dual-metal-atom Ir-Fe Pair Sites on Charge Transfer for Photoelectrochemical Water Splitting”的研究論文。研究提出了負載在赤鐵礦上的雙金屬原子（DMAs）Ir-Fe 對位點，旨在增強光電催化水分解制氫性能(PEC)，并闡明局部原子配位環境與PEC反應動力學之間的關系。該項工作為調控原子配位環境設計高性能單原子負載的半導體光電極提供了一種行之有效的方法。

研究亮點

1.     首次在光電化學領域報道了半導體表面雙金屬原子位點調控提高PEC性能研究。

2.     低密度雙金屬原子Ir-Fe位點促進載流子快速遷移。

3.     雙金屬原子 Ir-Fe 對位點抑制深層電子捕獲，延長Fe₂O₃的載流子壽命。

研究簡介

光電化學（PEC）水分解技術在綠色氫燃料生産中具有巨大的潛力。赤鐵礦(α-Fe₂O₃) 光電極具有存在廣泛、穩定性優異和有效利用可見光等優點，已被視為 PEC中的最重要的半導體之一。然而，α-Fe₂O₃中較低的電荷遷移率、較高的表面缺陷及短的空穴傳輸距離（2~4 nm）導緻α-Fe₂O₃中光生電子-空穴複合嚴重，表面水氧化動力學緩慢，使其太陽能-氫能（STH）轉換效率遠低于其理論值。

為解決上述問題，研究者們開發了一系列改善措施，包括納米結構工程調控、元素摻雜、異質結構築、助催化劑修飾和鈍化層沉積等。這些方法中，元素摻雜被認為是提高電荷載流子密度和增強半導體中電荷分離/轉移的最有效的策略之一。在 α-Fe₂O₃中摻雜金屬原子可使Fe³⁺位點附近引入電子将 Fe³⁺還原為 Fe²⁺，并且在一定程度上晶格應變提升載流子的躍遷，但摻雜過量往往會誘發額外的複合中心。因此，要在控制金屬摻雜含量的情況下最大限度地提高半導體的導電性具有非常大的挑戰。單原子工程為有效解決這一挑戰提供了可能性。最近，研究者們讨論了單原子催化劑對半導體性能的提升作用，并且嘗試在赤鐵礦光電極上整合單原子或雙原子位點并取得了一定效果，但對理解單原子配位環境與半導體活性之間的關系及制備高性能PEC電極仍不清晰。

基于此，本工作首次構建了由α-Fe₂O₃上負載的單原子Ir與半導體Fe位點形成的雙金屬原子Ir-Fe對位點，實現了優異的PEC活性，起始電位低至0.56 V_RHE，半反應太陽能-氫轉換效率為1.00%。通過 X 射線吸收結構光譜、強度調制光電流光譜、瞬态吸收光譜和動力學計算，證明了強電子耦合可以沿着Ir-Fe配對位點産生部分占據的軌道，加速電荷分離和轉移，同時允許關鍵的 OH* 中間體在銥位點上解析，抑制了光電極/電解質界面上的光生電荷複合。最終，DMAs Ir-Fe:Fe₂O₃光陽極在 1.23 和 1.5 V_RHE 下的光電流密度達到了 4.4 和 6.0 mA cm^-2。這項研究為通過調控單原子配位環境從而設計高性能單原子負載的半導體光電極提供了有效策略，并在其他半導體材料中具有一定普适性。

圖示 1. SAs Ir:Fe₂O₃和 DMAs Ir-Fe:Fe₂O₃的合成示意圖。

圖 1. SAs Ir:Fe₂O₃和 DMAs Ir-Fe:Fe₂O₃的表征 。

圖 2. SAs Ir:Fe₂O₃和 DMAs Ir-Fe:Fe₂O₃的配位環境分析。

圖 3. SAs Ir:Fe₂O₃和 DMAs Ir-Fe:Fe₂O₃的電子結構。

圖 4. Fe₂O₃、SAs Ir:Fe₂O₃和DMAs Ir-Fe:Fe₂O₃的PEC性能。

圖 5. Fe₂O₃、SAs Ir:Fe₂O₃和DMAs Ir-Fe:Fe₂O₃的光生電荷載流子動力學分析。

圖 6. 動力學計算揭示揭示電荷載流子動力學機制。

論文鍊接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.04.019