氢能是一种二次清洁能源，被誉为“21世纪终极能源”，也是在“双碳”背景下迫切开发利用的一种清洁能源。光电催化分解水制氢技术可利用太阳能产生的光能和电能，在光电催化剂的作用下，驱动水分子分解，产生清洁高效的氢气。整个过程减少了对有限化石能源的依赖，不产生任何二氧化碳排放，具有实现可再生氢能源生产的潜力，可为解决能源危机和减缓碳排放问题做出贡献。这一绿色能源技术为未来能源格局的转型提供了可行途径，是一项具有广阔前景的研究领域。

与此同时，近年来光伏产业的发展极大地带动了多晶硅产业的迅猛发展，全球多晶硅产量超过了100万吨/年，其中我国占据总产量的85%以上。目前，多晶硅产业已经成为我国新疆地区新能源发展的重要产业。然而，在生产多晶硅过程中会产生大量的副产物四氯氢硅（SiCl4，又称STC）。据统计，每生产1吨多晶硅会产生SiCl4约10～15吨，SiCl4是一种强腐蚀性的液体，对安全和环保的危害极大。如何高效处理SiCl4，对于多晶硅产业的可持续发展具有重要的意义。

近日，于锋教授（点击查看介绍）研究团队报道了在光电催化分解水制氢的最新研究成果。该工作设计了一种硅掺杂锌铝水滑石（Si-ZnAl-LDH）催化剂，选用二维层状ZnAl-LDH纳米片为前驱体，通过SiCl4化学剥离法制备了形成了富有“Al-O-Si”化学键的非晶化Si-ZnAl-LDH纳米片，自卷曲后形成了三维纳米球。Si的引入有效提升了材料的催化性能，改变了体系的电荷分布和活性位点的局部电子结构，降低了电子跃迁所需的激发能，增加了原子轨道的杂化程度，进而提升了整体的催化性能。这一方法不仅优化了电解水产氢效率，使其更加经济高效，同时也为SiCl4资源化利用提供了新的可能性。相关工作在国际期刊Applied Catalysis B: Environmental 上发表。论文的第一作者为石河子大学化学化工学院研究生鲍文涛和唐赢，通讯作者为张丽莉研究员、杨金凤教授和于锋教授。

图1. (a) SiCl4化学剥离法制备Si掺杂ZnAl-LDH纳米球的示意图; (b) XRD图; (c, d) AFM图; (e, i) TEM图; (f, j) STEM-HAADF图; (g, k) HRTEM图; (h, l) SAED图

图2. 样品ZnAl-LDH 与Si-ZnAl-LDH的XPS谱图

图3. (a) 莫特肖特基图; (b) PL光谱; (c) TRPL衰减曲线; (d) 瞬时光电流曲线; (e) UV-vis漫反射光谱; (f) UV-vis吸收光谱的Tauc图; (g) UV-XPS光谱; (h) 能带示意图

图4. (a-d) HER的LSV曲线, Tafel斜率, 阻抗谱图, 稳定性测试; (e-h) OER的LSV曲线, Tafel斜率, 阻抗谱图, 稳定性测试; (i, j) CV曲线; (k, l) 全解水性能测试

图5. (a-d) 电荷差分密度; (e-f) 投影态密度; (i-l) 有效能带; (m, o) HER反应路径的吉布斯自由能; (n, p) OER反应路径的吉布斯自由能

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Si-doped ZnAl-LDH nanosheets by layer-engineering for efficient photoelectrocatalytic water splitting

Wentao Bao#, Ying Tang#, Jie Yu, Wenxia Yan, Chenxu Wang, Yangyang Li, Zhimou Wang, Jinfeng Yang*, Lili Zhang*, Feng Yu*

Appl. Catal. B Environ., 2024, DOI: 10.1016/j.apcatb.2024.123706

导师简介

于锋，男，博士，教授，博士生导师，国家高层次人才，全国高校黄大年式教师团队成员，石河子大学化学化工学院副院长。获济南大学理学学士学位，中科院理化所理学博士学位，先后在NTU和A*STAR做博士后研究工作。2014年正式加入石河子大学化学化工学院，2015年入选国家高层次人才计划，2016年 & 2019年入选兵团英才，2018年全国高校黄大年式教师团队成员，2019年入选兵团中青年领军人才，2020年兵团创新团队负责人，2021年提出了“兵团人才”的理念，提出了J&Y Latin Letter Theory(金鱼拉丁字母理论)，撰写了《金鱼单词讲义：从26个拉丁字母到106万个英语单词》，2022年入选了全球前2%顶尖科学家榜单，2023年提出了“N1 Chemistry（氮一化学）”的理念。在教书育人方面，致力于 “科教融合”、“课堂思政”等教学研究工作，在核心刊物发表SSCI等教学论文20余篇；在科学研究方面，主要从事新疆蛭石、含碳含硅固废等在碳中和与环境催化技术（CN&ECTech）领域的基础和应用研究工作。主持了国家863计划子任务、国家自然科学基金等各类项目10余项，在ACB、GEE、CEJ、JMCA、Nano Energy等TOP期刊发表SCI科研论文等100余篇。兼任《化工进展》编委、CCL和FCSE期刊青年编委、Nanomaterials期刊客座编辑、中国电工技术学会等离子体及应用专业委员会委员、中国感光学会青年理事、北京市国际科技合作基地特聘专家等。荣获了共青团中央青年志愿者服务银奖、兵团科技进步奖二等奖、新疆化学会杰出青年科技奖、侯德榜化工科学技术奖青年奖等荣誉称号。

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