Effective Corrosion‐Resistant Single‐Atom Alloy Catalyst on HfO2‐Passivated BiVO4 Photoanode for Durable (≈800 h) Solar Water Oxidation

材料科学 合金 催化作用 腐蚀 Atom(片上系统) 钝化 化学工程 冶金 纳米技术 有机化学 计算机科学 工程类 嵌入式系统 化学 图层(电子)
作者
Maheswari Arunachalam,Kug‐Seung Lee,Kai Zhu,Soon Hyung Kang
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/aenm.202402607
摘要

Abstract Green hydrogen (H 2 ) production from solar water splitting necessitates photoelectrodes with superior photoelectrochemical (PEC) activity and durability. However, surface defects and photocorrosion instability—especially at high potentials—limit PEC performance and stability. Herein, the prototypical bismuth vanadate (BiVO 4 ) photoanode is used to demonstrate a holistic approach to improve photocurrent density and long‐term stability. In this approach, high surface‐area nanostructuring of BiVO 4 is combined with barium (Ba) doping with semi‐crystalline hafnium oxide (HfO 2 ) surface passivation and single‐atom nickel platinum (NiPt) catalysts. The introduction of Ba 2+ ions into BiVO 4 increases the concentration of conductive V 4+ ions or the ratio of V 4+ ions to oxygen vacancies, avoiding V 5+ dissolution during water oxidation. The semi‐crystalline HfO 2 , which serves as a passivation layer, prevents BiVO 4 photocorrosion by suppressing harmful chemical reactions when holes are transferred to the electrolyte. The synergistic use of isolated single‐atom and Ni‐Pt coordination improves charge transfer at the photoanode/electrolyte interface, leading to enhanced PEC kinetics and stability. As a result, a photoelectrode is demonstrated with ≈6.5 mA cm −2 at 1.23 V versus a reversible hydrogen electrode (RHE) and continuous operation for 800 h with a negligible degradation rate. This work provides a promising approach to improve photoanodes for PEC H 2 production.
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