近日，辽宁大学张蕾教授在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Multi-strategy for constructing Z-scheme porous hollow double-shell Fe₂O₃@Ov-NiFe₂O₄ nanorods-arrays photocathode: Bias-free synthesis of H₂O₂, Zn-H₂O₂ cell and generation of NaZnPO₄”的研究论文(DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.122955)。该文章提出将PDS-Fe₂O₃@Ov-NiFe₂O₄-HR原位生长在Ti网上，形成Fe₂O₃@Ov-NiFe₂O₄纳米棒阵列的一体化光阴极，高效氧还原生产H₂O₂；构建PDS-Fe₂O₃@Ov-NiFe₂O₄-HR-Ti||Fe₂O₃-Ti光电化学电池，在无偏压下实现阴阳极两极协同生产H₂O₂；构建PDS-Fe₂O₃@Ov-NiFe₂O₄-HR-Ti||Zn可充电Zn-H₂O₂燃料电池，该电池在KOH电解质中实现能量的转换及存储，在磷酸盐缓冲液电解质中既可实现电能的输出，也保证产H₂O₂的同时获得高附加值化学品NaZnPO₄。

 随着工业生产对过氧化氢 (H₂O₂)的需求量增大，亟待开发环境友好绿色经济的新合成方法。太阳能驱动的光电催化(PEC) 氧还原(ORR) 和水氧化反应 (WOR)生产H₂O₂是目前最有前途的安全、高效的合成方法之一。其中合成H₂O₂的关键是开发调节ORR途径的光电催化剂。本篇论文设计了多孔中空双壳结构纳米棒Z-型异质结PDS-Fe₂O₃@Ov-NiFe₂O₄-HR光电催化剂，双壳和空心内部的独特结构使材料具有足够的活性界面位点，多孔结构有效的氧气输送能力和更多的氧空位， Fe₂O₃@ Ov-NiFe₂O₄形成化学键合界面及强内电场有利于实现ORR。此外，PDS-Fe₂O₃@Ov-NiFe₂O₄-HR光阴极与不同的阳极耦合，除产过氧化氢外还可以实现其它化学增值品的生产。

采用原位自组装模板策略，在Ti网上原位生长具有氧空位和化学键界面的多孔中空双壳结构Fe₂O₃@Ov-NiFe₂O₄ (PDS-Fe₂O₃@Ov-NiFe₂O₄-HR) Z型异质结纳米棒阵列一体化光电阴极 (Scheme 1)。将PDS-Fe₂O₃@Ov-NiFe₂O₄-HR-Ti用于光阴极催化氧还原生产H₂O₂，H₂O₂的最大生产速率为6.3 mM h^-1。高的H₂O₂生产速率归因于Z型异质界面的快速载流子转移和更强的氧化还原活性；Ov-NiFe₂O₄中丰富的氧空位提升载流子浓度，化学键界面的构建为高浓度的载流子提供快速的传输路径；中空双壳结构可以实现光在双壳的空间内多次散射和反射，增强光吸收性能；提供大的比表面积，增强表面氧化还原活性和界面电荷分离效率。

将高效的光电阴极PDS-Fe₂O₃@Ov-NiFe₂O₄-HR-Ti与光阳极Fe₂O₃-Ti耦合组成光电化学电池，实现阴阳两极协同生产H₂O₂, 在 -0.5 V的偏压下两个电极的H₂O₂总产率为4.07 mM h^-1；无偏压条件下，两个电极H₂O₂的总产率为9.8 μmol min^-1 cm^-2, 揭示光电催化产过氧化氢机理 (Fig. 1)。

将高效的PDS-Fe₂O₃@Ov-NiFe₂O₄-HR-Ti与Zn阳极耦合构建可充电Zn-H₂O₂燃料电池，一体化电极的制备有利于提升电极的导电性能；变价态Ni²⁺/Ni³⁺, Fe²⁺/Fe³⁺催化剂组分调控设计有利于增强Zn-H₂O₂电池的效率，在KOH电解质中开路电压高达1.3 V，功率密度为8.5 mW cm^-2；在磷酸盐缓冲液电解质中既可以实现电能的输出，还可以合成高附加值化学品NaZnPO₄ (Fig. 2)。

制备的中空双壳Z-型异质结构高效光电阴极PDS-Fe₂O₃@Ov-NiFe₂O₄-HR-Ti用于光电催化生产高浓度的H₂O₂ (152 mM, 24 h)。优异的生产H₂O₂性能归因于其多孔双壳中空结构可以提高光能利用效率，NiFe₂O₄外壳的丰富的O空位有利于电子的捕获，NiFe₂O₄外壳与Fe₂O₃内壳形成强耦合异质结界面 (Fe-O-Ni)为电子转移提供快速的通道，增强载流子的传输效率。PDS-Fe₂O₃@Ov-NiFe₂O₄-HR-Ti光电阴极和Fe₂O₃-Ti阳极结合组成的PEC体系，在没有施加电压下，可以实现在两个电极上同时产生H₂O₂ (9.8 μM min^-1 cm^-2)。PDS-Fe₂O₃@Ov-NiFe₂O₄-HR-Ti作为可充Zn-H₂O₂电池 (以碱性和中性为电解质)的光电阴极具有12 mW cm^-2的高功率密度的电能输出和NaZnPO₄高价值化学品的生产。本研究为构建中空结构Z型异质结光电阴极提供了一种新的策略，可指导其他光电阴极材料的设计，并为能源相关器件上的多功能光电催化提供了一种可行的策略。

该论文被材料科学，研之成理，Environmental Advances 等学术媒体和交流平台重点推介。

【文章链接】https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122955

   【通讯作者简介】张蕾，材料化学博士，二级教授，博士生导师。国务院政府特殊津贴获得者，辽宁省“兴辽英才计划”创新领军人才（辽宁特聘教授），辽宁省百千万人才工程“百人层次”，辽宁省“学术头雁”，两次入选辽宁省高等学校创新团队带头人，入选辽宁省高等学校优秀科技人才支持计划，多次荣获辽宁省优秀博士/硕士学位论文指导教师，辽宁省优秀本科生教学名师等称号。获沈阳市第七届优秀专家，第十三届沈阳市优秀科技工作者，沈阳市领军人才，沈阳市优秀研究生指导教师等荣誉。

主要研究方向：层级微纳功能材料的设计与可控制备；功能纳米界面的调控、表征及应用；低碳能源催化材料，微纳光电材料与器件技术。主持国家自然科学基金3项、省部级基金13项。以第一作者或通讯作者在Appl. Catal. B-Environ., Chem. Eng.J.， J. Hazard. Mater.，J. Mater. Chem. A.等国际重要学术期刊发表SCI论文130余篇。 获辽宁省自然科学二等奖，辽宁省优秀教学成果一等奖，辽宁省自然科学学术成果奖16项，沈阳市自然科学学术成果奖8项。获批国家授权发明专利共16件（均为第一申人）。

【第一作者简介】冯雪,辽宁大学化学院，博士生，主要从事光/光电催化材料设计与制备、催化等方面研究。目前已在Appl. Catal. B-Environ.和J. Mater. Sci. Technol.等期刊发表论文4篇。