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光电化学分解水电池的电极性能提高方法及光阴极研究进展 被引量:3
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作者 朱凯健 罗文俊 +3 位作者 关中杰 温鑫 邹志刚 黄维 《电化学》 CAS CSCD 北大核心 2016年第4期368-381,共14页
光电化学水分解电池能够将太阳能直接转化为氢能,是一种理想的太阳能利用方式.p-n叠层电池具有理论转换效率高、成本低廉、材料选择灵活等优势,被认为是最具潜力的一类光电化学水分解电池.然而,目前这类叠层电池的太阳能转化效率还不高... 光电化学水分解电池能够将太阳能直接转化为氢能,是一种理想的太阳能利用方式.p-n叠层电池具有理论转换效率高、成本低廉、材料选择灵活等优势,被认为是最具潜力的一类光电化学水分解电池.然而,目前这类叠层电池的太阳能转化效率还不高,主要原因是单个电极的效率太低.本文介绍了几种提高光电极分解水性能的方法—减小光生载流子的体相复合、表面复合以及抑制背反应等,同时综述了国内外关于几种p型半导体光阴极的研究进展,如Si、In P、Cu In1-xGaxS(Se)2、Cu2Zn Sn S4等.通过总结,作者提出一种p-Cu2Zn Sn S4(Cu In1-xGaxS(Se)2)/n-Ta3N5(Fe2O3)组装方式,有望获得高效低成本叠层光电化学水分解电池. 展开更多
关键词 电化学分解电池 p型半导体阴极 Si INP CuIn1-xGaxS(Se)2 Cu2ZnSnS4
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Co和P掺杂对α-Fe_2O_3光电化学催化分解水的影响
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作者 朱珊 俞有幸 郝维昌 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第6期1141-1146,共6页
在众多光阳极材料中,纳米结构材料α-Fe_2O_3由于其光吸收显著、化学稳定性好、储量丰富等优势,被认为是最有前途的材料之一。利用水热法制备了具有良好光解水性能的Co和P掺杂α-Fe_2O_3纳米材料。经过掺杂后α-Fe_2O_3纳米材料仍为纳... 在众多光阳极材料中,纳米结构材料α-Fe_2O_3由于其光吸收显著、化学稳定性好、储量丰富等优势,被认为是最有前途的材料之一。利用水热法制备了具有良好光解水性能的Co和P掺杂α-Fe_2O_3纳米材料。经过掺杂后α-Fe_2O_3纳米材料仍为纳米棒状形貌,纳米棒的粒径增加。实验发现,Co掺杂α-Fe_2O_3制成的电极在标准光照射下的最大光生电流密度为0.453 m A/cm2,是未掺杂样品的20.6倍,P掺杂α-Fe_2O_3制成的电极在标准光照射下的最大光生电流密度为0.276 m A/cm2,是未掺杂样品的12.5倍,具备了高效光解水性能。同时通过SEM、TEM、XRD、UV-Vis和Mott-Schottky测试等方法,结合形貌与结构表征,研究了α-Fe_2O_3的光电化学分解水性能影响机理。 展开更多
关键词 电化学催化分解 Α-FE2O3 CO掺杂 P掺杂 纳米结构材料
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稳定高效α-Fe_2O_3光电化学水分解——合理的材料设计和载流子动力学 被引量:1
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作者 谢佳乐 杨萍萍 李长明 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第7期1037-1056,共20页
氢能是非常清洁的能源。发展高效、清洁和低成本的产氢装置是利用氢能的首要关键技术问题。光电化学水分解是首选的制氢技术之一。它可实现室温下直接水分解和氢氧分离,并不完全受限于太阳光的周期性波动;其产氢装置可全部由无机材料制... 氢能是非常清洁的能源。发展高效、清洁和低成本的产氢装置是利用氢能的首要关键技术问题。光电化学水分解是首选的制氢技术之一。它可实现室温下直接水分解和氢氧分离,并不完全受限于太阳光的周期性波动;其产氢装置可全部由无机材料制成,有好的化学活性和使用寿命。但是,光电化学水分解技术的效率目前还无法满足实际应用的要求,特别是还不能实现长期稳定运行,存在一定的性能衰减。在各种光电极材料中,α-Fe_2O_3是非常重要且具有潜力的稳定高效的光阳极材料,已成为近年来研究的热点。α-Fe_2O_3又称赤铁矿,储量丰富,在光电化学水分解中具有良好的稳定性、低成本和良好的太阳光谱响应等优势,已成为最具应用前景的光电极材料。然而,α-Fe_2O_3固有的一些问题诸如电荷传输差、表面复合严重、电荷转移动力学缓慢等限制了其实际应用。近年来,研究者们已发展了多种多样的策略和途径,例如掺杂、纳米化、异质结和表面处理等来解决上述问题。多种金属和非金属元素如Ti、Sn、Si、S等掺杂的α-Fe_2O_3表明,异质原子的引入会降低电子的有效质量,进而提高导电性,还会影响α-Fe_2O_3的晶体扭曲和活性位点等性质。从零维、一维、二维、三维到层级结构的α-Fe_2O_3都已经成功合成;同时,纳米化也拓展到导电基底的规则阵列图案化,α-Fe_2O_3纳米化能够促进光生空穴产生和利用,已成为α-Fe_2O_3光电化学水分解性能提升的重要途径。研发的n-n型和p-n型α-Fe_2O_3异质结如α-Fe_2O_3/ZnFe2O4、p-Si/α-Fe_2O_3等已较大地提高了其光电催化水分解性能,其中异质结很大程度上促进了α-Fe_2O_3光吸收、光生电荷分离和电极过程动力学。α-Fe_2O_3表面处理如催化剂修饰、钝化层修饰、化学/电化学刻蚀、气氛处理等,则显著改善了α-Fe_2O_3电极的电荷转移、析氧动力学,并抑制了电荷复合。本文主要从材料设计和载流子动力学这两个角度,综述了不同策略和途径对α-Fe_2O_3光电化学水分解性能的影响,分析了纳米结构以及材料复合等处理方式对α-Fe_2O_3光电极性能影响的构效关系,并进一步深入分析了光电化学水分解反应中载流子的动力学过程,建立了α-Fe_2O_3光电极性能提升和光生载流子之间清晰的物理图像。此外,本文还介绍了光电化学水分解的基本原理和物理过程。该综述可为今后合理设计制备基于α-Fe_2O_3的稳定高效光电极提供有益的理论指导与实验设计方法。 展开更多
关键词 赤铁矿 电化学分解 材料设计 载流子动力学
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铁基多相助催化剂光电化学水氧化研究进展 被引量:3
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作者 李艳 胡星盛 +3 位作者 黄静伟 王磊 佘厚德 王其召 《物理化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2021年第8期25-36,共12页
化石燃料的使用已经引起了严重的环境问题,例如空气污染和温室效应。同时,化石燃料作为不可再生能源无法一直满足人们不断的能源需求。因此,开发清洁可再生能源非常重要。氢是一种清洁无污染的可再生能源,可以缓解整个社会的能源压力。... 化石燃料的使用已经引起了严重的环境问题,例如空气污染和温室效应。同时,化石燃料作为不可再生能源无法一直满足人们不断的能源需求。因此,开发清洁可再生能源非常重要。氢是一种清洁无污染的可再生能源,可以缓解整个社会的能源压力。地球在一秒钟内接收到的太阳光能为1.7×10^(14) J,远远超过了人类一年的总能源消耗。因此,将太阳能转化为有价值的氢能对于减少对化石燃料的依赖具有重要的意义。自1972年藤岛昭和本多健一首次报道TiO_(2)光催化剂以来,人们发现半导体可以通过电或光驱动水分解产生清洁无污染的氢气。通过这种方式产氢不仅可以替代化石燃料,还可以提供环保的可再生氢能源,受到了人们的广泛关注。光电化学(PEC)水分解可以利用太阳能生产清洁、可持续的氢能。由于光阳极上的析氧反应(OER)缓慢,因此总的能量转换效率仍然很低,限制了PEC水分解的实际应用。助催化剂对于改善光电化学水分解性能是必要的。贵金属氧化物已被证明是最有效的OER催化剂,因为它们在酸性和碱性条件下具有很高的OER活性。然而,这些贵金属氧化物成本高和储量低,极大地限制了它们的实际应用。因此,开发高活性和低成本的OER助催化剂非常重要。迄今为止,对第一周期过渡金属(例如,Fe,Co,Ni和Mn)助催化剂的合成研究比较集中。其中,铁在地球上含量丰富,并且毒性比其他过渡金属低,使其成为良好的助催化剂。另外,铁基化合物具有半导体/金属的特性和独特的电子结构,可以改善材料的电导率和对水的吸附性能。目前,各种具有高催化活性的铁基催化剂已经被设计来提高光电化学的水氧化效率。本文简要概述了羟基氧化铁,铁基层状双氢氧化物和铁基钙钛矿等的结构、合成和应用方面的最新研究进展,并讨论了这些助催化剂在光电化学水氧化的性能。 展开更多
关键词 电化学分解 析氧反应 羟基氧化铁 铁基层状双氢氧化物 铁基钙钛矿
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光电分解水制氢气泡动力学特性及其传质机理研究
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作者 罗欣怡 徐强 +2 位作者 佘永璐 聂腾飞 郭烈锦 《化工学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第9期3083-3093,共11页
光电极表面长时间连续生长的气泡是影响光电分解水制氢效率的重要因素。利用光电化学与气泡动力学多参数同步原位测量分析方法,系统研究了激光功率和电解池内压力对气泡动力学特性和气液界面传质过程的影响。结果表明,不同激光功率和压... 光电极表面长时间连续生长的气泡是影响光电分解水制氢效率的重要因素。利用光电化学与气泡动力学多参数同步原位测量分析方法,系统研究了激光功率和电解池内压力对气泡动力学特性和气液界面传质过程的影响。结果表明,不同激光功率和压力下的气泡在脱离之前遵循相似的生长规律。气体质量产率在80 kPa取得极值,表明适当降低压力有利于气体的产生。此外,随着压力降低气泡脱离直径增大,周期缩短。对比考虑不同Marangoni力的力平衡模型,发现同时考虑浓度Marangoni力和热Marangoni力的力平衡模型对气泡脱离直径的预测误差小于5%,浓度Marangoni力是不同压力下影响气泡脱离直径的主要因素。通过求解传质系数,发现在低光电流密度内,不同压力条件下气液传质以单相自然微对流为主,但随着光电流密度的增大,气液界面扩张引起的气泡诱导微对流传质作用增强。 展开更多
关键词 光电化学分解水 气泡 制氢 压力 传质
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Bi_(1-x)Fe_(x)VO_(4)薄膜光阳极的制备及光电化学性能 被引量:3
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作者 唐定 衷水平 《高等学校化学学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2021年第8期2509-2517,共9页
采用一步滴涂法在掺氟二氧化锡(FTO)导电玻璃上制备了Bi_(1-x)Fe_(x)VO_4(x=0,0.05,0.10,0.25,0.40)薄膜,表征了其结构、形貌、光学以及光电化学方面的性质.结果表明,掺入Fe后Bi_(1-x)Fe_(x)VO_(4)薄膜的光电流密度与BiVO_(4)薄膜相比... 采用一步滴涂法在掺氟二氧化锡(FTO)导电玻璃上制备了Bi_(1-x)Fe_(x)VO_4(x=0,0.05,0.10,0.25,0.40)薄膜,表征了其结构、形貌、光学以及光电化学方面的性质.结果表明,掺入Fe后Bi_(1-x)Fe_(x)VO_(4)薄膜的光电流密度与BiVO_(4)薄膜相比均有所提高,其中25%Fe-BiVO_(4)薄膜表现出最优的光电化学性能.在0.1 mol/L磷酸缓冲溶液(pH=7.0)中,1.23 V(vs.RHE)电势下25%Fe-BiVO_(4)薄膜的光电流密度为0.50 m A/cm~2,与BiVO_(4)薄膜的0.15m A/cm^(2)相比提高了3倍多.结合X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和X射线光电子能谱(XPS)表征结果证实Fe~(3+)以FeVO_(4)的形式存在于Bi_(1-x)Fe_(x)VO_(4)薄膜中,形成了BiVO_(4)/FeVO_(4)复合物薄膜.紫外-可见光谱(UV-Vis)结果显示,所有Bi_(1-x)Fe_(x)VO_4薄膜的禁带宽度均为2.4~2.5 e V.25%Fe-BiVO_(4)薄膜光电化学性能的提升主要归因于光生载流子转移效率(η_(trans))和分离效率(η_(sep))的提高.能级结构图表明,BiVO_(4)和FeVO_(4)之间可以形成TypeⅡ型能级结构排列,可以促进光生载流子的分离与转移,是25%Fe-BiVO_(4)薄膜光电化学性能提升的内在机理. 展开更多
关键词 光电化学分解水 钒酸铋 载流子表面复合 TypeⅡ异质结 复合物薄膜
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Cu_(2)O/CeO_(2)异质结的制备与光电化学性能研究
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作者 胡栋 黄鹏达 +2 位作者 赵庆江 李天保 许并社 《功能材料》 CAS CSCD 北大核心 2023年第6期6111-6120,共10页
通过电化学法在铜片表面生长Cu(OH)_(2)纳米线阵列,在氮气氛围下将其进行退火处理得到Cu_(2)O纳米线阵列,然后采用电沉积法在电极上沉积Cu_(2)O阻挡层和CeO_(2),制备得到Cu_(2)O/CeO_(2)异质结光阴极材料。利于扫描电子显微镜(SEM)、X-... 通过电化学法在铜片表面生长Cu(OH)_(2)纳米线阵列,在氮气氛围下将其进行退火处理得到Cu_(2)O纳米线阵列,然后采用电沉积法在电极上沉积Cu_(2)O阻挡层和CeO_(2),制备得到Cu_(2)O/CeO_(2)异质结光阴极材料。利于扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)和X-射线光电子能谱(XPS)对材料的形貌和化学成分等进行表征,紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、线性扫描伏安法(LSV)和莫特肖特基曲线(M-S)等测试对其光电化学性能进行分析。实验数据结果表明,在0 V、RHE(可逆氢电极)下,Cu_(2)O/CeO_(2)光阴极的光电流密度达到-6.55 mA/cm^(2),相比仅Cu_(2)O的光电流密度(-3.67 mA/cm^(2))提升了1.78倍。随后,通过ALD(原子层沉积)制备TiO_(2)作为保护层,负载Pt作为析氢反应(HER)的助催化剂。最终Cu_(2)O/CeO_(2)/TiO_(2)/Pt光阴极的光电流密度达到-10.9 mA/cm^(2)(0 V vs.RHE),应用偏压光子-电流效率(ABPE)达2.02%。实验的研究成果对Cu_(2)O基光阴极材料在光电化学水分解领域的广泛应用具有重要意义。 展开更多
关键词 Cu_(2)O 阴极 电流密度 应用偏压子-电流效率 电化学分解
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GaAs材料在光电化学电池中的稳定性
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作者 曹诗瑶 闫小琴 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第5期5062-5066,5074,共6页
光电化学水分解制氢被誉为人工光合作用,其利用太阳能将水分解为氢气和氧气,是未来可持续能源体系潜在的重要能源转换手段。随着光电化学电池的发展,光电化学电池的转换效率得到了大幅提升,然而光电化学电池的使用寿命却与实际应用标准... 光电化学水分解制氢被誉为人工光合作用,其利用太阳能将水分解为氢气和氧气,是未来可持续能源体系潜在的重要能源转换手段。随着光电化学电池的发展,光电化学电池的转换效率得到了大幅提升,然而光电化学电池的使用寿命却与实际应用标准寿命(10年)相差甚远。光电化学电池材料体系中Ⅲ-Ⅴ族半导体GaAs由于其优异的光物理性能逐步受到科学家们的广泛关注。然而,GaAs在光电化学体系中存在严重的光腐蚀问题。如何在充分发挥GaAs本征优势的前提下提升其在电解液中的稳定性近年来已成为Ⅲ-Ⅴ族半导体研究的热点。研究表明,针对不同环境下GaAs电极的腐蚀机制设计不同保护层薄膜对GaAs进行防护,能有效地在保证转换效率的前提下延长GaAs电极的寿命。本文从GaAs材料在不同酸碱性电解液中的腐蚀机理出发,针对GaAs在不同溶液环境中的有效保护措施进行综述,着重阐述了现有手段对GaAs材料在溶液中稳定性提升的成果,同时展望了GaAs材料的未来发展趋势。 展开更多
关键词 GAAS 腐蚀 稳定性 保护层 电化学分解
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光电催化材料在太阳能分解水方面的应用研究进展 被引量:3
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作者 朱凯健 刘杰 +3 位作者 刘一霖 王婷 罗文俊 黄维 《中国材料进展》 CAS CSCD 北大核心 2019年第2期98-105,共8页
光电化学太阳能分解水制氢,能够直接将太阳能捕获、转化、存储为化学能,是有效应对目前能源与环境问题的方法。在光电化学分解水中,半导体光电极的性能决定了太阳能转化效率。但是对于半导体光电极,由于存在光生载流子的复合和传输距离... 光电化学太阳能分解水制氢,能够直接将太阳能捕获、转化、存储为化学能,是有效应对目前能源与环境问题的方法。在光电化学分解水中,半导体光电极的性能决定了太阳能转化效率。但是对于半导体光电极,由于存在光生载流子的复合和传输距离短等问题,限制了光电化学性能。因此,主要结合作者课题组和国内外其他研究组的研究,以氧化铁、氮化钽等半导体材料为例,从电极的形貌调控、离子掺杂以及其表面的钝化层和过渡金属电催化剂改性等方面,综述了提高光电极性能的方法。 展开更多
关键词 光电化学分解水 形貌调控 离子掺杂 表面改性
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高氧化效率的纳米WO3水氧化光阳极的制备及表征 被引量:2
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作者 李东 高彩云 《现代化工》 CAS CSCD 北大核心 2020年第3期147-151,共5页
以钨粉(W)和双氧水(H2O2)为原料,通过液相合成法制备前驱体粉末后,采用刮刀涂布工艺制备了具有高光电化学(PEC)水氧化效率的WO3光阳极。并利用X射线衍射、拉曼光谱分析并结合热分析法研究煅烧温度对纳米WO3的晶型和晶粒直径的影响。结... 以钨粉(W)和双氧水(H2O2)为原料,通过液相合成法制备前驱体粉末后,采用刮刀涂布工艺制备了具有高光电化学(PEC)水氧化效率的WO3光阳极。并利用X射线衍射、拉曼光谱分析并结合热分析法研究煅烧温度对纳米WO3的晶型和晶粒直径的影响。结果表明,煅烧温度为400℃时可制备单斜相WO3,且WO3的晶粒直径随温度升高而增大。扫描电镜分析结果表明,制备的WO3颗粒尺寸约为20~70 nm。环伏安测试结果表明,WO3-600光阳极的光电流达到1.88 m A/cm2,是WO3-400的2.65倍。入射光子-电流转换效率(IPCE)说明WO3光阳极的起始波长为470 nm。Co2+的添加大幅提升了PEC分解水的催化活性和稳定性。 展开更多
关键词 纳米三氧化钨 氧化 阳极 光电化学分解水
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BiVO_(4)/CuBi_(2)O_(4)薄膜光电极的制备及光电性能 被引量:2
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作者 刘家琪 李天保 《高等学校化学学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第4期42-48,共7页
通过金属有机物分解法(MOD)协同光电化学沉积法,将p型氧化物半导体CuBi_(2)O_(4)沉积在BiVO_(4)纳米薄膜上,形成包覆性异质结结构,制备了一种新型p-n异质结光阳极n-BiVO_(4)/p-CuBi_(2)O_(4),用于太阳能光电化学(Photoelectrochemical,P... 通过金属有机物分解法(MOD)协同光电化学沉积法,将p型氧化物半导体CuBi_(2)O_(4)沉积在BiVO_(4)纳米薄膜上,形成包覆性异质结结构,制备了一种新型p-n异质结光阳极n-BiVO_(4)/p-CuBi_(2)O_(4),用于太阳能光电化学(Photoelectrochemical,PEC)水分解.研究结果表明,在1.23 V(vs.RHE)电势下,BiVO_(4)/CuBi_(2)O_(4)异质结光阳极表现出优良的PEC水氧化性能,光电流密度达到2.8 mA/cm^(2),负载磷酸钴(Co-Pi)的BiVO_(4)/CuBi_(2)O_(4)/Co-Pi光电极,光电流密度达到4.45 mA/cm^(2),分别为BiVO_(4)电极光电流密度的3.1倍和4.9倍.X射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、电化学阻抗谱(EIS)和能级结构图等结果也证实,BiVO_(4)/CuBi_(2)O_(4)和BiVO_(4)/CuBi_(2)O_(4)/Co-Pi复合电极材料在内建电场和能带弯曲作用下,光吸收特性增强,载流子界面转移电阻减小,具有良好的光电化学性能与稳定性. 展开更多
关键词 钒酸铋 p-n异质结 电阳极 内建电场 电化学分解
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Rate Law for Photoelectrochemical Water Splitting Over CuO
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作者 Bo-Yuan Gao Wen-HuaLeng 《电化学(中英文)》 CAS 北大核心 2024年第8期17-27,共11页
Photocatalytic splitting of water over p-type semiconductors is a promising strategy for production of hydrogen.However,the determination of rate law is rarely reported.To this purpose,copper oxide(CuO)is selected as ... Photocatalytic splitting of water over p-type semiconductors is a promising strategy for production of hydrogen.However,the determination of rate law is rarely reported.To this purpose,copper oxide(CuO)is selected as a model photocathode in this study,and the photogenerated surface charge density,interfacial charge transfer rate constant and their relation to the water reduction rate(in terms of photocurrent)were investigated by a combination of(photo)electrochemical techniques.The results showed that the charge transfer rate constant is exponential-dependent on the surface charge density,and that the photocurrent equals to the product of the charge transfer rate constant and surface charge density.The reaction is first-order in terms of surface charge density.Such an unconventional rate law contrasts with the reports in literature.The charge density-dependent rate constant results from the Fermi level pinning(i.e.,Galvani potential is the main driving force for the reaction)due to accumulation of charge in the surface states and/or Frumkin behavior(i.e.,chemical potential is the main driving force).This study,therefore,may be helpful for further investigation on the mechanism of hydrogen evolution over a CuO photocathode and for designing more efficient CuO-based photocatalysts. 展开更多
关键词 CUO Photoelectrochemical water splitting Electrochemical impedance spectroscopy Rate law Kinetics of photogenerated carriers
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