持久性是材料应用的前提，光化学海水分解是使用太阳能制备清洁氢气的一种具有前景的技术，但是海水分解面临着严重的Cl^-腐蚀。

有鉴于此，南京大学李朝升、冯建勇等报道导致光阳极失活的主要原因是氧化物在分解海水时与Cl^-配位导致氧化物表面结构重构，而且进一步发展通过改善金属-氧相互作用增强光阳极的稳定性。

主要内容

（1）

当使用亚稳态β-Fe₂O₃作为光阳极，通过向晶格引入Sn能够增强M-O成键的键能，抑制质子向晶格氧转移，阻碍表面水化或Cl^-配位，从而改善光电极的稳定性。Sn/β-Fe₂O₃光电极的光电分解海水性能达到创纪录的3000 h。

（2）

增强的金属-氧相互作用导致半导体电解液界面附近的晶格氧难以接受质子（通过H/D交换动力学同位素实验验证）。动力学同位素效应在较低的pH值表现更加明显，并且β-Fe₂O₃的j_H2O/j_D2O的数值总是低于Sn/β-Fe₂O₃，说明β-Fe₂O₃表面具有更强的质子亲和性。质子转移并结合晶格氧，打破M-O化学键，生成FeOOH水化表面层，当M-O化学键打破，溶液中的氧与晶格氧交换，Cl-能够与Fe配位，导致表面结构的损坏。另一方面，水化FeOOH表现为松散的无定形结构或者层状结构，容易吸附和插入Cl^-，因此影响分解水的反应动力学。Sn原子能够稳定晶格氧，阻碍反应中间体和晶格氧之间的质子耦合。此外，Sn⁴⁺作为供体能够改善电子浓度和导电性。Sn/β-Fe₂O₃的光电流达到β-Fe₂O₃的8.5倍。

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Changhao Liu, Ningsi Zhang, Yang Li, Rongli Fan, Wenjing Wang, Jianyong Feng, Chen Liu, Jiaou Wang, Weichang Hao, Zhaosheng Li & Zhigang Zou, Long-term durability of metastable β-Fe₂O₃ photoanodes in highly corrosive seawater, Nat Commun 14, 4266 (2023). 

DOI: 10.1038/s41467-023-40010-9

https://www.nature.com/articles/s41467-023-40010-9