电催化剂通常集成在吸光半导体上，形成高效的光电化学水分解系统。过渡金属氧化物纳米颗粒是一种优良的电催化剂，但作为光电极的助催化剂性能较差。
2024年11月5日，辽宁大学李硕团队在Applied Catalysis B: Environment and Energy期刊发表题为“Structurally ordered FeCo@FeCoOx@NC dual-shell nanoparticles synthesized under micro-oxygen conditions: an efficient cocatalyst for BiVO4 photoelectrochemical water oxidation”的研究论文，团队成员Zhang Kaixin为论文第一作者，李硕为论文通讯作者。
为了解决这一问题，研究人员在微氧条件下制备了FeCo@FeCoOx@NC双壳纳米颗粒（由FeCo合金核、中间FeCoOx壳层和最外层石墨碳壳组成）。FeCo合金具有快速空穴储存和高效电荷输运的双重功能，而FeCoOx层作为活性位点加速了水氧化反应动力学，石墨碳保护了纳米颗粒的内部结构。在FeCo@FeCoOx@NC和NiFeOx助催化剂的协同作用下，BiVO4光阳极的注入效率和分离效率几乎达到100%，光电流密度达到6.85 mA cm-2（1.23 VRHE, AM 1.5 G），是迄今为止报道的最高值。
DOI：10.1016/j.apcatb.2024.124779
该研究报道了通过控制PBA前体热解过程中的微氧条件（10%空气和90%氩气），合成了结构有序的FeCo@FeCoOx@NC双壳纳米颗粒（FeCo-DS）。这些纳米颗粒的最外层是N掺杂碳，过渡层是铁钴氧化物，内核是FeCo合金。金属FeCo内核可以快速捕获和存储空穴，还可以作为铁钴氧化物的有效导电载体。FeCoOx层为OER提供了催化活性位点，显著加快了表面反应动力学。碳层封装确保了内部颗粒的稳定性，延长了催化活性，而氮掺杂增强了碳层的导电性，为电荷转移创造了有效的导电网络。在Mo-BiVO4（Mo-BVO）光阳极上进行修饰后，光阳极的光电流密度为5.7 mA cm-2（1.23 VRHE, AM 1.5 G），电荷分离效率和注入效率分别为100%和83%。进一步修饰NiFeOx保护层不仅可以提高光阳极在长期光照下的稳定性，而且可以将电荷注入效率提高到100%左右。最后，光电流密度达到了新的记录，6.85 mA cm-2（1.23 VRHE, AM 1.5 G）。该研究通过简单和可扩展的方法为生产高性能光阳极提供了一条有前途的途径，可能为大规模光阳极生产铺平道路。
总之，该研究成功合成了结构有序的FeCo-DS纳米颗粒，并将其用作BVO光阳极的助催化剂。实验结果表明，精心设计的双壳结构有利于电荷的储存和快速迁移，显著提高了BVO光阳极的电荷分离效率。NiFeOx层屏蔽了暴露的BVO，有利于水氧化反应和光阳极的稳定性。与纯BVO相比，在1.23 VRHE下，Mo-BVO/FeCo-DS/NiFeOx光阳极的光电流密度从2.31 mA cm-2增加到6.85 mA cm-2。在440 nm处，Mo-BVO/FeCo-DS/NiFeOx光阳极的IPCE值为98.57%。在1.23 VRHE条件下进行的3小时气体析出测试中，Mo-BVO/FeCo-DS/NiFeOx光阳极产氢和产氧的平均法拉第效率分别为96.98%和95.39%。这些发现为设计特定的金属氧化物结构作为光电化学水分解的助催化剂提供了新见解。
■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等
■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等
■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR
■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关
