自从提出氢经济概念以来，使用光电化学（PEC）或光催化水分解法进行太阳能制氢在人工利用取之不尽的太阳能中占据了非常重要的位置。从无毒，成本，稳定性和理论上的太阳能转化效率来看，过去几十年中，具有窄带隙的铁基半导体（例如，α-Fe₂O₃）被认为是有前途的光阳极材料。β-Fe₂O₃同样具有窄的能带隙，因此理论上具有很高的太阳能转化效率，但由于其亚稳性，用β-Fe₂O₃光电阳极对水分解的研究仍遥遥无期。近日，南京大学邹志刚院士课题组李朝升等人研究了激光波长和辐照功率对β-Fe₂O₃到α-Fe₂O₃的相变的影响，并阐明了β-Fe₂O₃的拉曼振动光谱。掺杂Zr后，组装好的β-Fe₂O₃光电阳极可以在后处理过程中承受更高的退火温度。因此，颗粒组装的掺Zr的β-Fe₂O₃光电阳极的太阳水分解光电流密度显着提高到1.2 mA cm^-2，是纯β-Fe₂O₃光电阳极的5倍。这项研究表明亚稳态β-Fe₂O₃薄膜是用于太阳能水分解的有前途的光阳极材料。相关内容发表在《国家科学评论》上。

文章要点：

1）在功率为0.4 W的785 nm激光激发下，β-Fe₂O₃的拉曼光谱显示出与β-Fe₂O₃相对应的12种显着振动模式。在激光照射，电子照射和加热下，可以观察到亚稳态β-Fe₂O₃转变为成熟的α-Fe₂O₃。

图 在用各种波长（532、633和785 nm）的10 mW激光照射后，由0.4 mW激光在785 nm激发的β-Fe₂O₃颗粒组装薄膜的拉曼作图和SEM图像。绿色：α-Fe₂O₃；蓝色：β-Fe₂O₃。

图 β-Fe₂O₃在785 nm的不同功率激光照射下的拉曼光谱

图 在用各种功率的785 nm激光照射后，由0.4 mW激光在785 nm激发的粒子组装β-Fe₂O₃薄膜的拉曼作图和SEM图像。绿色：α-Fe₂O₃；蓝色：β-Fe₂O₃

图 样品的SAED和TEM图像。 （a）测得的β-Fe₂O₃样品的SAED图像； （b）β-Fe₂O₃样品的TEM图像； （c）β-Fe₂O₃的模拟SAED图像； （d）α-Fe₂O₃的模拟SAED图像。

2）将Zr掺杂引入颗粒组装的β-Fe₂O₃薄膜中，不仅增加了载流子浓度还抑制了β-Fe₂O₃的相变。与纯β-Fe₂O₃光电阳极相比，掺Zr的β-Fe₂O₃光电阳极的PEC性能大大提高。

 图（a）光电流密度（b）IPCE，（c）在1.6 VRHE下的光化学稳定性，以及（d）在标准模拟日光（100 mW cm-2）的光照下，掺Zr的粒子组装的β-Fe₂O₃薄膜的法拉第效率）在1 M NaOH电解质（pH = 13.6）中。参考样品，α-Fe₂O₃

这项研究表明，亚稳态β-Fe₂O₃在PEC反应期间保持稳定，是一种有前途的光阳极材料，可用于分解水，从而为在太阳能水分解中使用β-Fe₂O₃铺平了道路。

Ningsi Zhang, et al, Paving the road toward the use of β-Fe₂O₃ in solar water splitting: Raman identification, phase transformation, and strategies for phase stabilization, National Science Review, 2020 

DOI:10.1093/nsr/nwaa039

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa039