文 | 陋室观史

编辑 | 陋室观史

长期以来，因为世界人口的增长和平均生活水平的提高，能源消耗正在增加，开发一种有效的方法，将阳光大规模转化为清洁和易于使用的燃料，一直是研究人员的梦想，

日益增长的能源需求和同时需要减少化石燃料使用的需求促进了对可再生能源的研究，到目前为止，通过利用光伏技术，只有1%的总能源消耗来自太阳能。

由于光伏发电是不可调度的，因此需要一个补充程序来将太阳能转化为一种可储存的能源，以供以后使用。

将太阳能转化为氢分子，是制造清洁燃料的最流行的技术，可以满足未来作为环境友好和可再生能源的需求，然而，进化H2通过一种可行的人工光合作用，首先要开发出稳定有效的水氧化成分子氧的催化体系，这是光诱导水中更具挑战性的半反应爆裂似的。

氧化钴尖晶石结构

金属氧化物半导体已成为一种很有前途的水裂解应用材料资源， OER因其在电解电池和太阳能-燃料生产领域的广泛应用而得到了广泛的关注。

大多数情况下，OER的高阳极过电位极大地限制了太阳能燃料方法的转换效率，这些催化剂不能提供更好的活性和稳定性。

在其他金属氧化物材料中，钴氧化物和取代钴酸盐MxyO4具有良好的OER性能，此外，氧化钴尖晶石结构和Co3O4在过去的几十年里，作为碱性溶液中矿石的潜在阳极材料引起了特别的关注。

虽然，广泛调查3O4作为碱性条件下水氧化的电催化剂，碱性条件下强的缺点限制了其工业应用，最近，另一种潜在的独特材料，WO3作为PEC结构中合适的光阳极材料，已经引起了研究人员的兴趣。

首先，WO3具有足够的带隙，因此允许在太阳光谱的部分可见光范围内吸收光，WO3显示了能量高于2.6eV的光子的理 论最大转换效率，与其他半导体金属氧化物相比，WO3具有良好的空气扩散长度 。

然而，WO3也有几个缺点，空穴的缓慢动力学，快速的电子在体和表面的复合以及在半导体/电解质界面的缓慢电荷转移，这大大限制了它作为一种潜在的光电阳极的应用。

催化剂的光催化性能

目前已有不同的碳同素异形体，石墨烯由于其较大的理论比表面积和较高的本征电子，已被证明是良好的催化剂载体，而不是作为催化剂迁移率，因此能够支持光吸收、电荷转移和电导率。

为了克服上述缺点3O4和WO3在催化性能，支撑材料的导电特性在维持催化活性方面具有潜在的作用，电化学性能3O4在各种载体上清楚地表明，这些杂化物是很有前途的催化剂材料，可以开发坚固、高效的纳米碱性溶液水氧化催化剂。

水热合成WO的光电流密度达到了最佳值3基于 PEC转换，然而，大多数生产杂化纳米材料的合成过程都是复杂和耗时的。

微波合成工艺已发展成为一种制备工程纳米材料的有效技术，与其他常规加热系统相比，由于反应速率的高和反应时间的短，微波加热越来越多的受到喜爱。

WO的氧演化的过电势3-Co3O4在可见光照射下，还原氧化石墨烯进一步降低，产生的电流密度增加，显示了杂化催化剂的光催化性能。

传统的光电化学系统包括两个电极；阳极和阴极，阳极是基于光敏半导体材料的电极，在水分裂过程中光束在其上照射，对电极是阴极，也称为辅助电极，它不受太阳光的照射。

光阳极上的光活性材料必须吸收辐射光，使其电极电位提高到1V以上，才能使水裂解反应发生，转化一个H分子所需的能量2O至1/2O2和H2是237.2 kJ摩尔-1作为自由能的变化，这对应于一个电解电池的电压可以通过氧化水分子，以及H+可以同时在阴极上被还原形成氢。

光化材料的带水平被认为是通常影响水分裂能力的关键因素，根据电化学原理，由于辐照能量必须在1.23eV以上才能驱动水分裂反应 ，这意味着光谱的能量必须高于带隙，才能分离电子和空穴。

氧化石墨烯

电化学稳定性或对光腐蚀素的抵抗力是另一个因素，它可能会限制许多光裂解材料在水氧化过程中的有效性。

在许多非氧化物半共电导体材料中，电子通过半导体和电解质界面之间的界面转移是通过溶解或在半导体表面形成薄膜而实现的。

这是因为光诱导空穴有时可能会氧化半导体材料本身，而不是促进水的氧化,电解质的pH值通常是导致各种光活性材料中意外光分解的主要原因，在一定条件下往往限制了它们的应用。

氧化物半导体通常更稳定，并且在许多反应条件下都表现出稳定的性能,而输送过渡金属氧化物共催化剂，如一氧化镍或Co3O4不是近似的,开发具有较高的抗光腐蚀或阳极分解稳定性的半导体材料是未来应用的关键问题。

石墨烯氧化物是单层石墨，上面附着有不同的亲水性官能团,由于sp的破坏石墨烯层由现有官能团杂化，氧化石墨烯是一种电绝缘体。

化学还原方法的缺点是反应非常缓慢，而且一些所使用的还原剂非常危险，热还原是最通用和最绿色的方法没有使用危险还原剂。

光电化学测量

对于玻璃碳的测量，采用传统三电极测试单元中的旋转环盘电极，其中玻璃碳为工作电极 ，Pt棒为对电极，Ag/AgCl为参考电极。

光电化学测量,其光催化性能，采用标准的三电极体系，以Pt线为对电极，Ag/AgCl为参比电极，改性CP以样品改性CP为工作电极。

采用恒电位器，以150W反反射白炽灯为光源，在传统的三电极系统测试单元中进行线性扫描伏安法的光电化学分析。

扫描电子显微镜是一种广泛使用的分析工具，可以提供样品表面和近表面的高分辨率和长场深发射图像,扫描电镜通过用聚焦的电子束扫描样品来产生样品的图像。

用扫描电镜研究了三种不同方法制备的还原氧化石墨烯薄片上纳米颗粒的生长情况。

通过对不同纳米颗粒的对比和外观的比较，可以得出大尺寸的纳米颗粒可能是氢氧化钴或氧化钴纳米颗粒，而较小的纳米颗粒是氧化钨纳米颗粒。

金属氧化物

受激电子的动能可以与结合能或将一个电子从其轨道上移除所需的能量联系起来,由于不同轨道中电子的结合能也取决于原子的环境，XPS是一种非常敏感的技术来获得样品表面化学键结构的信息。

对于所有的样本，在宽能量XPS谱中观察到一些特征信号,通过使用Na的氧化石墨烯还原过程，氧基的数量急剧减少2S作为还原剂。

微波辅助合成过程不仅有助于修饰还原氧化石墨烯上的不同的金属氧化物，而且有助于还原氧化石墨烯的含量。

这在Co修饰的样品中尤为明显，表明钴原子还原氧化石墨烯的效率更高,这些氧原子可能与金属原子反应形成金属氧化物纳米颗粒。

氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、WO中不同化学物质的原子浓度,xOy-rGO和WOx- CoxOy-还原氧化石墨烯样品的氧含量没有定量测定，从XPS光谱中可以看出，氧比明显低于WOx-rGO样品。

氧化石墨烯、还原氧化石墨烯和生产的纳米杂化物中不同化学物质的原子浓度,在这个过程中，光子和分子之间的能量交换，使散射光子的能量比入射光子更高或更,低能量的变化是由分子的旋转能量和振动能量的变化组成的，并提供了关于其能级的信息。

WO的10个拉曼光谱x-氧化石墨烯纳米复合材料,通过拉曼分析，进一步研究了金属氧化物在还原氧化石墨烯上的成功组装和纳米复合材料的化学组成。

显示了Co的拉曼光谱xOy-还原氧化石墨烯解分解成8个峰,3O4结晶相其他山峰则在193厘米处出现- 1和462厘米- 1这可能是由于钴氧化物的横向和纵向光学声子模振动所致。

碳的缺陷和石墨性质

为了获得化学分析的信息，拉曼光谱也被峰拟合程序去卷积,峰值约为1327厘米- 1大约1589厘米-1可以归因于碳的缺陷和石墨性质。

通过XPS对纳米杂化物的化学成分的探索和拉曼分析，确保了WO的成功装饰3和Co3O4在rGO上,有一些未知的山峰拉曼和XPS光谱是由于化学物质的存在,由于共掺杂，许多峰也从原来的位置稍微改变了一点，这表明一些纳米颗粒确实是Co和W的共合金。

此外，WO的数量3和公司3O4热重分析证实了还原氧化石墨烯上的载荷,WO3与Co3O4，在TGA报告中发现，WO中金属氧化物的重量百分比为65%3- Co3O4-氧化石墨烯纳米复合材料。

WO的催化性能3-Co3O4-rGO, Co3O4-rGO和WO3-OER中的rGO，通过WO得到的电流密度3-还原氧化石墨烯与其他纳米复合材料相比非常低。

由于额外的负载，纳米复合材料在OER中关于过电位的催化性能没有显著提高，因为额外的负载只是增加了材料的层，而催化剂的相互作用表面直到保持不变。

虽然在以气相色谱作为电极时，实现了略低于电位的催化性能,然而，在电流密度条件下，GC电极的催化性能低于CP。

虽然利用FTO玻璃作为底物制备电极，但在OER中的催化性能并不理想,此外，纳米杂化物在FTO玻璃上产生的薄膜与电解质发生化学反应后容易剥离,在泡沫镍上产生的薄膜在与电解质发生化学反应后也容易剥离。

所制备的纳米杂化物的光催化性能，纳米杂化材料在OER中不仅具有催化活性，而且具有光敏性,3O4-还原氧化石墨烯纳米杂化物比WO具有更高的光敏性3-Co3O4-rGO。

结论

由于光照射，过电位已经位移到了121 mV,由于退火，纳米复合材料可能被进一步氧化，从而变得更加光敏，退火过程也可能修复缺陷，使被激发的电子和空穴能够在散射前移动更长的距离。

这种简单的方法可以用于在还原石墨烯片上装饰其他种类的金属氧化物。

由于共掺杂在OER中的催化和光催化性能均有显著提高，纳米复合材料中的石墨烯薄片被完全还原。

采用微波辅助程序制备了纳米颗粒附着在还原氧化石墨烯薄片上的纳米杂化物，该杂化物不仅对OER具有催化活性，而且对碱性条件下的OER具有光催化敏感性,利用该材料制备的导电薄膜在阳极应用中具有重要作用。

通过使用有效的溶剂可以使其胶体分散，该制备方法简便、高效，不需要使用交联剂或化学物质将纳米颗粒附着在还原的石墨烯薄片上，为制备高效的催化和光催化材料提供了一种新方法。