中文标题：Gd掺杂的CuBi2O4/CuO异质结亚微米晶薄膜光阴极实现高效氧还原合成H2O2
英文标题：Gd-doped CuBi2O4/CuO heterojunction film photocathodes for photoelectrochemicalH2O2 production through oxygen reduction
刊物名称及期号、页码：Nano Research, 2021, 14(10): 3439–3445
作者姓名（英文）：Zixin Li, Quanlong Xu, Faliang Gou, Bing He, Wei Chen, Weiwei Zheng, Xu Jiang, Kai Chen, Chenze Qi, and Dekun Ma*
工作简介：H2O2既是一种清洁能源又是一种非常有用的化学品。相比较传统的蒽醌法，光电化学还原氧气（PEC ORR）制备H2O2代表一种可持续的绿色合成路线，因为仅需要阳光、氧气，水，和来自可再生资源的电。目前用于该反应的光电阴极主要是有机半导体与染料敏化的无机半导体。直接使用无机半导体光阴极PEC ORR制备H2O2的的研究仍处于起步阶段。在众多无机半导体光阴极材料当中，铜基半导体CuBi2O4 (CBO) 具有众多优点：1）该化合物由地球上丰富的Cu，Bi和O元素组成。它们价格低廉、毒性小；2）该半导体具有较窄的带隙，能够吸收大部分可见光；3）它的能带位置合适。导带位置足够还原O2分子。低的价带顶，可获得更正的光电流起始电势，容易进行无外在偏压下的太阳光驱动的还原反应。然而，到目前为止，CBO基异质结光电阴极高效光电化学还原氧气制备H2O2的研究未有报道。
我们采用真空热蒸发金属Cu和Bi以及热处理技术，制备了高品质的CBO/CuO异质结薄膜。利用电化学沉积GdOx，进一步退火处理制备了Gd3+离子掺杂的CBO/CuO（Gd-CBO/CuO）。该Gd-CBO/CuO光阴极能够有效实现PEC ORR合成H2O2。采用XRD、FE-SEM、TEM、XPS、PL，Raman等技术对产物进行了详细表征。基于光照下的旋转环盘电极测试、DFT理论计算及实验结果，对Gd-CBO/CuO PEC ORR合成H2O2的性能提升进行了合理阐释。
创新点：采用热蒸镀、电化学沉积和退火路径制备了Gd-CBO/CuO高品质异质结亚微米晶薄膜光电阴极，该技术路线可规模化。利用能带工程设计构筑的II型异质结能够促进光生载流子的分离，拓展光谱响应范围，从而提高CBO的PEC活性。采用掺杂工程，通过Gd3+离子调节了CBO的表面电子效应，从而提高了CBO/CuO两电子ORR产生H2O2的活性和选择性。在30 min内，Gd-CBO/CuO光电极上可以获得1.3 mM的H2O2，是CBO/CuO的6倍。相关研究为设计高效无机光电阴极PEC ORR制备H2O2提供了新策略。
该工作得到了国家自然科学基金（21673160和12075154），浙江省杰出青年基金（LR16B010002）以及绍兴文理学院启动经费的资助。
全文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-021-3638-y
