《表1 光电化学水分解的主要要求》

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《稳定高效α-Fe_2O_3光电化学水分解——合理的材料设计和载流子动力学》

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从装置结构来看，典型的PEC装置主要由光阳极、光阴极和隔膜（图1 （a）中未画出） 构成，如图1（a）所示[6]。光阳极主要发生水氧化产生氧气的半反应，而光阴极主要发生水还原产生氢气的半反应；隔膜用来隔开产生的氧气和氢气，以免两者混合。图1（a）中装置可以进一步简化为只有一个光电极的PEC装置，而另一极需要替换成电催化电极，如图1（b）所示。从半导体类型来看，光阳极应具有n型半导体性质，能够将电子导向集流体和外电路，而将空穴导向电极/电解液界面用于催化水氧化反应。因此，半导体材料的导带和价带位置需要满足水分解反应的电位要求，即导带位置高于水分解产氢电位，而价带位置低于水分解产氧电位（电子和空穴所带电荷性质相反，但都遵守能量最低原理，由高能量位置向低能量位置传输）。由于α-Fe2O3导带位置低于水分解产氢的电位，α-Fe2O3仅能用于PEC光阳极[7]。从PEC电极过程（光阳极）来看，主要包括以下几个步骤:（1）半导体电极吸收能量大于带隙的光；（2）产生光生电子和空穴；（3）光生电子和空穴在空间电荷区或耗尽层发生分离；（4）分离后的电子和空穴在电场作用下分别传输到集流体和电极/电解液界面；（5）在电极/电解液界面处，发生催化水分解产氧反应。需要注意的是，在步骤（3）—（5）中，存在电子和空穴复合以及逆反应/副反应等负效应，应当尽可能减弱这些负效应。光阴极的电极过程类似于光阳极，只是空穴被集流体收集，而电子传导到电极/电解液界面处，发生水分解还原反应。PEC的主要要求见表1。