中國粉體網(wǎng)訊  太陽能光電化學(xué)（PEC）裂解水是將太陽能轉(zhuǎn)化為氫能的一種有效的方法。在眾多半導(dǎo)體光陽極中，BiVO4由于具有合適的導(dǎo)帶、價帶位置和禁帶寬度而成為優(yōu)異的光陽極材料。BiVO₄的光吸收邊在515nm，在AM1.5太陽光下的理論最大光電流密度（Jmax）為7.5 mA cm^-2。然而實際的光分解水電流密度（JH₂O）遠(yuǎn)小于其理論值，這主要是因為BiVO₄在光PEC分解水的各個過程中存在能量損失。根據(jù)以往的報道，JH₂O可以表示為JH₂O = Jmax × ηabs × ηsep × ηtrans，其中ηabs是吸光效率，ηsep是電荷分離效率，ηtrans是表面空穴轉(zhuǎn)移效率。目前BiVO₄光陽極的ηsep和ηtrans低下，且相對過寬的帶隙和不穩(wěn)定性進(jìn)一步限制了其光電轉(zhuǎn)換效率的提高和實際應(yīng)用。

近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所與北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)合作，在BiVO₄基光陽極的設(shè)計及其在光電催化裂解水的應(yīng)用研究中取得新進(jìn)展。研究團(tuán)隊采用典型制備納米結(jié)構(gòu)BiVO₄光陽極的方法，并以氫等離子體還原技術(shù)在室溫下制備了還原態(tài)的黑色納米結(jié)構(gòu)BiVO4光陽極。黑色納米結(jié)構(gòu)BiVO₄光陽極不僅可以提高電荷傳輸和分離效率，而且大大拓展了其可見光的吸收譜域（帶隙縮小了0.3 eV），但該黑色納米結(jié)構(gòu)BiVO₄光陽極表面催化效率并沒有得到顯著提高，且穩(wěn)定性不佳。另外，采用傳統(tǒng)的產(chǎn)氧催化劑（OEC）負(fù)載使得光陽極和催化劑之間的電荷復(fù)合非常嚴(yán)重。為此，該團(tuán)隊通過進(jìn)一步的實驗設(shè)計，采用ALD技術(shù)在納米結(jié)構(gòu)的BiVO₄光陽極表面負(fù)載無定形的TiO₂，再進(jìn)一步還原。EELS結(jié)果表明，這種負(fù)載TiO₂的BiVO₄在還原的過程中，自身同樣獲得了和黑色納米結(jié)構(gòu)BiVO₄相同的還原程度，而無形的TiO₂被還原成了無定形的TiO_2-x。這種無定形TiO_2-x包覆的還原態(tài)BiVO₄ (b- BiVO₄/TiO_2-x)光陽極的電荷傳輸和分離特性與黑色納米結(jié)構(gòu)BiVO4光陽極的特性基本一致。最終的b- BiVO₄/TiO_2-x光陽極可以實現(xiàn)在低電壓下獲得比較高的電流密度（3.85 mA cm^-2 at 0.6 VRHE），因此，該光陽極取得了2.5%的偏壓轉(zhuǎn)化效率（ABPE）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，無定形的TiO_2-x不僅充當(dāng)了OEC催化劑的作用，而且還起到了穩(wěn)定還原態(tài)BiVO₄光陽極的作用，從而實現(xiàn)了b- BiVO₄/TiO_2-x光陽極長久穩(wěn)定高效的水的裂解。相關(guān)研究成果以Novel black-BiVO4/TiO2-x Photoanode with Enhanced Photon Absorption and Charge Separation for Efficient and Stable Solar Water Splitting 為題發(fā)表于國際期刊《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials 2019（DOI: 10.1002/aenm.201901287），上海硅酸鹽所博士田章留和復(fù)旦大學(xué)博士研究生張鵬飛為共同第一作者，上海硅酸鹽所研究員黃富強(qiáng)和中科院院士、復(fù)旦大學(xué)教授趙東元為共同通訊作者。

上述研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院和上海市科委等的資助。

b- BiVO₄/TiO_2-x光陽極能帶結(jié)構(gòu)示意圖與光電化學(xué)特性和穩(wěn)定性 

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）

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