多晶硅产业副产物四氯化硅修饰水滑石材料用于光电催化分解水制氢

本文转自x-mol
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，石河子大学“碳中和与清洁能源研究团队”于锋教授课题组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