BiVO4高指数晶面提升光催化H2O分解出氧效率

能源短缺和清洁使用是当前人类所面临的重大挑战,解决这个问题是我国实现可持续发展、国家安全。在众多利用太阳能的领域中,光催化分解水制氢是将低能量密度的太阳能转变为高密度的、易储存的清洁化学能源的一个重要方式,有希望在解决能源问题上发挥重要作用,因此受到众多研究者的关注。但光催化水分解反应由于其缓慢的动力学反应速率及较高的氧化电位(0.82V vs. NHE,pH=7),需要高效的光催化剂提高其在能源转化中的效率。复合光催化剂,如异质结、Z型复合材料虽具有优异的H2O分解活性,但其效率的提升受制于涉及四个空穴捕获的光催化H2O分解出氧反应。开发高效、稳定、低成本的催化剂对于光催化全H2O分解反应及其相关技术的发展至关重要。近年来,晶面暴露的半导体光催化剂,因其表界面结构、表面晶面反应分子吸附和活化、空间光生载流子行为研究等成为热点,在该领域受到了极大关注。但高能晶面由于其较高的表面能,生长速度较快,不易获得。

南京大学邹志刚和周勇教授、大连大学周新教授课题组密切合作在BiVO4高能晶面光催化H2O分解出氧方面取得重要进展。该团队通过微量金纳米粒子表面吸附方法,制备出了高能晶面暴露的BiVO4三十面体光催化剂。该催化剂表现出优异的光催化H2O分解出氧活性,相对于低指数晶面暴露的十面体、截角十面体,光催化H2O分解出氧性能提高3-5倍,其在430 nm单色光照下,量子效率达到18.3 %,高于常规相同材料一个数量级。密度泛函理论研究表明:相对于(010),(110),(101)等低指数晶面,高能晶面不仅更有利于H2O分子解离,而且对于分解水产氧反应所需的过电位更低(降低0.77-1.14 V)。此项研究表明高能晶面暴露的BiVO4三十面体光催化剂具有优越的光催化H2O分解出氧的能力,有助于制备出全H2O分解的高效复合光催化剂。相关论文在线发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201703119)上。

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