利用太陽光驅動，直接分解地球上儲量豐富的海水得到H2和O2，被認為是生產綠色可再生能源的最有前景的途徑之一。由于海水中大量Cl?所帶來的腐蝕性問題，在光電化學海水分解領域，光陽極穩定性差的問題一直以來都沒有得到解決。

近日，南京大學現代工學院李朝升、鄒志剛團隊探索了光電化學分解海水過程中OH?和Cl?等離子參與β-Fe2O3表面重構的過程，并且利用晶格中的Sn增強金屬-氧相互作用的原理，抑制了過度的表面重構，在模擬海水電解液中穩定工作3000小時，獲得了目前報道的穩定性最好的海水分解光陽極材料。相關的工作以“Long-term durability of metastable β-Fe2O3 photoanodes in highly corrosive seawater”為題發表在Nature Communications上。

圖1 Sn/β-Fe₂O₃光陽極長時間海水分解穩定性

在這項工作中，β-Fe₂O₃光陽極被用作海水分解腐蝕機理的研究對象。在長時間的海水分解過程中，光陽極表面的氧化物晶格被檢測到在電解液的作用下發生水合化重構，β-Fe₂O₃轉變為FeOOH。與此同時，海水中Cl?會參與重構，吸附并與金屬原子成鍵，逐步滲透到晶格中。過度的表面重構和Cl?的入侵是光陽極穩定性被破壞的主要原因。

圖2 光陽極表面重構和Cl?腐蝕檢測

論文中提出了晶格中的Sn增強金屬-氧相互作用的原理，Sn的存在顯著增強了M-O鍵的強度，防止反應中間體局部高濃度的質子對晶格的攻擊，提高了晶體結構的穩定性。制備的Sn/β-Fe₂O₃光陽極在長時間反應后僅在淺層表面檢測到重構的發生和Cl?的吸附。在模擬海水電解液中工作3000小時后，光電流仍然保持在初始值的96.8%，是目前世界上穩定性最高的光陽極材料。此外，該工作對材料在海水中腐蝕機理的探究，以及在防腐蝕領域的探索也具有重要意義。

圖3 Sn增強金屬-氧相互作用抑制表面重構與腐蝕機理