Advanced Materials:氧空位缺陷助力BiVO4光阳极高效光解水

将太阳能转换成清洁能源的光电化学分解水制氢技术,被认为是解决人类社会能源危机和环境污染问题的重要手段。但是,由于尚缺乏能带匹配性良好的优异光阳极和光阴极材料,目前光电化学分解水制氢的太阳能-氢气转换效率较低,仍处于实验室研究阶段。在光电化学分解水制氢反应过程中,光阳极的析氧反应是涉及四电子转移的复杂光电化学过程,动力学上极其缓慢,是制约光电化学分解水制氢太阳能-氢气转换效率的关键。因此,研发新型高效光阳极对提高光电化学分解水制氢太阳能-氢气转换效率具有重要意义。BiVO4具有合适的带隙、能带位置和水溶液稳定性,是一种较理想的光阳极材料。但是,由于BiVO4的载流子迁移率较小且空穴扩散距离较短,造成体相中严重的电子空穴复合损失,难以获得较高的光电流密度。

西北工业大学黄维院士团队王松灿教授和昆士兰大学王连洲教授课题组合作,研发了新型硫氧化法将Bi2S3前驱体薄膜转换成BiVO4薄膜,在整个BiVO4薄膜中原位形成氧空位缺陷。研究表明,氧空位缺陷可提高BiVO4多数载流子浓度和光电压,显著提升其体相的电子空穴分离率。在表面负载NiFeOx析氧助催化剂,促进表面析氧反应的进行,在1.23 VRHE和AM 1.5 G模拟太阳光照射下获得高达5.54 mA cm–2的光电流密度,稳定性超过80 h。值得注意的是,将两片BiVO4/NiFeOx堆叠形成的双光阳极可获得6.24 mA cm–2的光电流密度,其光电转换效率高达2.76%,相关研究成果为高效光阳极的设计提供了新思路,在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202001385)上,并于当期frontispiece做简要介绍。