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1研究背景
自 1972 年 Honda 和 Fujishima 发现 TiO₂可用于光解水以来，大量研究者致力于光化学转化反应系统的开发。与光催化系统相比，PEC 系统中由于外加偏压的存在，光生载流子的氧化还原能力和光生电子 - 空穴复合问题得到改善。在 PEC 水分解反应中，挑战在于发现和开发具有高催化活性和稳定性的新型半导体光催化剂。多数研究表明 PCN 光催化剂在分解水制氢应用中具有较高稳定性，但近期研究发现，在氧化环境中，PCN 光催化剂易受光生空穴和羟基自由基等强氧化性物质攻击而变得不稳定。以往文献中报道的 PCN 高稳定性可能需要进一步确认，因为光催化制氢实验通常在含牺牲剂溶液中进行，可避免强氧化性物质积累，而 PEC 整体水分解实验中，PCN 光阳极表现出不稳定的光电流。目前，PCN 光阳极在 PEC 水分解中的光活性降解机制尚不清楚。
2成果简介
在这项研究中，研究团队以 PCN 纳米片光阳极为平台，通过光电化学、X 射线光电子能谱（XPS）和恒电位电化学阻抗谱（PIES）等多种表征手段，深入研究了 PCN 光阳极在 PEC 水分解反应中的物理和化学变化，揭示了其稳定性差的原因。研究发现，PEC 水分解过程中，PCN 光阳极表面会形成大量 C═O 键，导致光生载流子分离效率降低，这是其 PEC 活性失活的主要原因。为解决这一问题，研究团队采用原子层沉积（ALD）技术在 PCN 光阳极表面沉积 TiO₂作为保护层，制备了 PCN/TiO₂复合光阳极。光电化学测试表明，PCN/TiO₂光阳极在连续测试 3 小时后，仍能保持 90% 以上的最高光电流密度，稳定性显著提高。这一研究成果为理解 PCN 光阳极性能下降机制提供了新视角，也为提高其在 PEC 水分解中的稳定性提供了有效策略。3图文导读
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图1. a) PCN 光阳极在不同测试时间的 XRD 图谱；b) FTIR 光谱。![]()
图2 PCN 光阳极在不同测试时间下的 SEM 图像：a) 新鲜样品；b) 测试 10 分钟；c) 测试 20 分钟；d) 测试 30 分钟。![]()
图3 . PCN 光阳极在不同测试时间下的高分辨率 XPS 光谱：a) C 1s；b) N 1s；c) O 1s。![]()
图4 . a) 光致发光（PL）光谱对比图；b) 电荷转移电阻；c) 电荷分离电阻；d) 电荷分离速率常数（Ksep）与电荷分离速率常数和电荷转移速率常数之和（Ksep + Ktra）的比值。![]()
图5 a、b) PCN/TiO₂光阳极的 SEM 图像；c - g) PCN/TiO₂光阳极薄膜中 C、N、O 和 Ti 的相应元素分布图。![]()
图6 PCN 光阳极、TiO₂光阳极和 PCN/TiO₂光阳极在 PEC 水分解中的稳定性比较（在 0.1 M KOH 中，相对于可逆氢电极（RHE）电压为 1.23 V）。
4小结
本研究深入探究了 PCN 光阳极在 PEC 水分解反应中的失活机制，明确了 O 原子取代 PCN 结构中不协调 N 原子并形成大量 C=O 键是导致其 PEC 活性失活的关键因素。通过 ALD 方法制备的 PCN/TiO₂复合光阳极，在 3 小时连续测试后能出色保持 > 90% 的最高光电流密度。该研究成果不仅为理解 PCN 光阳极性能下降机制提供了新途径，也为提升其在 PEC 水分解中的稳定性提供了切实可行的策略，对推动聚合物氮化碳光阳极在清洁能源领域的应用具有重要意义。文献：
https://doi.org/10.1002/smll.202403636
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