中國粉體網(wǎng)訊  太陽能光電化學（PEC）裂解水是將太陽能轉化為氫能的一種有效的方法。在眾多半導體光陽極中，BiVO4由于具有合適的導帶、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)定性進一步限制了其光電轉換效率的提高和實際應用。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所與北京大學、復旦大學合作，在BiVO₄基光陽極的設計及其在光電催化裂解水的應用研究中取得新進展。研究團隊采用典型制備納米結構BiVO₄光陽極的方法，并以氫等離子體還原技術在室溫下制備了還原態(tài)的黑色納米結構BiVO4光陽極。黑色納米結構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），但該黑色納米結構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）負載使得光陽極和催化劑之間的電荷復合非常嚴重。為此，該團隊通過進一步的實驗設計，采用ALD技術在納米結構的BiVO₄光陽極表面負載無定形的TiO₂，再進一步還原。EELS結果表明，這種負載TiO₂的BiVO₄在還原的過程中，自身同樣獲得了和黑色納米結構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構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%的偏壓轉化效率（ABPE）。進一步研究發(fā)現(xiàn)，無定形的TiO_2-x不僅充當了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旦大學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和中科院院士、復旦大學教授趙東元為共同通訊作者。

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

b- BiVO₄/TiO_2-x光陽極能帶結構示意圖與光電化學特性和穩(wěn)定性 

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）

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