▲第一作者：易莎莎；通讯作者：易莎莎、岳新政、陈德良
论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119649本文通过简单浸渍-退火过程在Fe2O3光阳极表面得到均匀纳米薄层In2O3，该复合体系的构建显著提高了光电催化水分解性能。研究表明，In2O3纳米层的负载可以有效抑制Fe2O3电极表面载流子的复合，提高电荷注入效率；同时与Fe2O3形成异质结结构，在内建电场作用下实现载流子的高效分离和迁移。光电催化水氧化过程作为一个4电子反应过程，相比于水还原过程更难以实现，是制约全解水反应的主要因素。α-Fe2O3由于其带隙较窄，对可见光的吸收效率高，具有合适的价带能级位置的特点，成为一种理想的光电催化阳极电极材料，其理论电流密度可达12.6 mA cm–2。然而，由于较为严重的载流子体相复合和较高的表面态密度导致的表面复合，其光电转化效率仍处于较低水平。为了进一步提高Fe2O3电极的光电流密度，人们尝试了构建异质结结构和负载表面钝化层来抑制光生电子空穴对的复合现象。In2O3作为一种金属氧化物半导体材料，具有良好的透光性及较高的电导率，同时和Fe2O3具有相同的配位数和相似的晶体结构，是一种非常理想的钝化层材料。然而，类似复合体系的分析大多局限于钝化机理的阐述，对于界面处的电荷转移行为以及异质结构对其PEC性能的作用机理仍不明确。此外，构建多功能二元或三元体系Fe2O3光电催化阳极材料，同时实现对载流子体相和表面复合的抑制作用，有望进一步提高其PEC性能。本文中，我们采用浸渍和煅烧两步法在Fe2O3纳米阵列表面包覆生长In2O3纳米薄层，以重点研究In2O3对Fe2O3光阳极表面及体相的电荷行为，从而阐述光电性能增强机理。在光电催化过程中，In2O3不仅可以作为钝化层降低Fe2O3电极的表面态密度，抑制载流子表面复合，而且其异质结构还能引发界面处载流子的定向迁移，从而形成内建电场推动光生电子和空穴朝相反方向运动，最终实现光生载流子的高效分离。这种多功能的光阳极电极的改性策略能够从多个方面抑制载流子复合，大幅提高光电极的PEC性能。▲图1. 材料的合成示意图及Fe2O3和T-Fe2O3的FESEM图像。
首先通过水热和高温煅烧过程制备了Ti掺杂的蠕虫状Fe2O3电极（标记为Fe2O3），随后将Fe2O3电极经过In(NO3)3浸泡处理并煅烧后得到表面负载In2O3纳米薄层的复合电极，标记为T-Fe2O3。 ▲图2. Fe2O3和T-Fe2O3电极的光电性能表征分析。
光电化学性能是在三电极体系下测试得到的，光源为AM 1.5G（100 mW cm-2）。在1.23 V vs. RHE下，T-Fe2O3可获得高达3.4 mA cm-2的阳极光电流（图2A），是Fe2O3的3倍（1.1 mA cm-2），该结果也通过两光电极的i-t测试得到了印证（图2B）。通过对Fe2O3和T-Fe2O3光阳极光照瞬间表面电荷积累量随电压的关系曲线可知，In2O3的引入可有效降低表面电荷复合，说明其起到了表面态钝化的作用（图2C）。图2D表明In2O3可明显提高Fe2O3光阳极的入射光子的光电转换效率（IPCE）和吸收光子的光电转换效率（APCE）。 ▲图3.Fe2O3和T-Fe2O3电极的光电性能表征分析。
电化学阻抗谱（EIS）结果显示负载In2O3后电极的阻抗显著降低，说明In2O3的负载可以加快载流子的传输，从而提高载流子迁移效率。通过计算可得T-Fe2O3光阳极的表面电荷注入效率（hsurface）和体相电荷分离效率（hseparation）分别为83%和30%，相比于Fe2O3电极均有明显提高。此外，1.23 V vs. RHE外加偏压下的产氢产氧测试显示T-Fe2O3的气体产出量约为Fe2O3电极的两倍，且在2 h内基本呈线性增长，稳定性较好。
