中國(guó)粉體網(wǎng)訊 太陽(yáng)能光電化學(xué)（PEC）裂解水是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為氫能的一種有效的方法。在眾多半導(dǎo)體光陽(yáng)極中，BiVO4由于具有合適的導(dǎo)帶、價(jià)帶位置和禁帶寬度而成為優(yōu)異的光陽(yáng)極材料。BiVO4的光吸收邊在515nm，在AM1.5太陽(yáng)光下的理論最大光電流密度（Jmax）為7.5 mA cm-2。然而實(shí)際的光分解水電流密度（JH2O）遠(yuǎn)小于其理論值，這主要是因?yàn)锽iVO4在光PEC分解水的各個(gè)過(guò)程中存在能量損失。根據(jù)以往的報(bào)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(yáng)極的ηsep和ηtrans低下，且相對(duì)過(guò)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(shí)際應(yīng)用。
近日，中國(guó)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(yáng)極的設(shè)計(jì)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(duì)采用典型制備納米結(jié)構(gòu)BiVO4光陽(yáng)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(yáng)極。黑色納米結(jié)構(gòu)BiVO4光陽(yáng)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(yáng)極表面催化效率并沒(méi)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(yáng)極和催化劑之間的電荷復(fù)合非常嚴(yán)重。為此，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用ALD技術(shù)在納米結(jié)構(gòu)的BiVO4光陽(yáng)極表面負(fù)載無(wú)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(guò)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(wú)形的TiO2被還原成了無(wú)定形的TiO2-x。這種無(wú)定形TiO2-x包覆的還原態(tài)BiVO4 (b- BiVO4/TiO2-x)光陽(yáng)極的電荷傳輸和分離特性與黑色納米結(jié)構(gòu)BiVO4光陽(yáng)極的特性基本一致。最終的b- BiVO4/TiO2-x光陽(yáng)極可以實(shí)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(yáng)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(wú)定形的TiO2-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(yáng)極的作用，從而實(shí)現(xiàn)了b- BiVO4/TiO2-x光陽(yáng)極長(zhǎng)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(guó)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院和上海市科委等的資助。
b- BiVO4/TiO2-x光陽(yáng)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(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）
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