釩酸鉍(BiVO4)是最有前景的光電化學(xué)(PEC)水分解半導(dǎo)體之一，因?yàn)樗哂歇M窄的帶隙(2.4 eV)和低成本特性。然而，在原始BiVO4薄膜中的低載流子遷移率(0.044 cm2 V?1 S?1)和短空穴擴(kuò)散長度(70 nm)引起嚴(yán)重的電荷復(fù)合。
同時，由于析氧反應(yīng)(OER)涉及四個電子的轉(zhuǎn)移，在OER過程中的動力學(xué)非常緩慢，這也會導(dǎo)致嚴(yán)重的表面電荷復(fù)合。在PEC水分解過程中，BiVO4光陽極也存在嚴(yán)重的光腐蝕，導(dǎo)致穩(wěn)定性較差，這嚴(yán)重限制了其在PEC水分解中的大規(guī)模應(yīng)用。為解決上述問題，西北工業(yè)大學(xué)黃維、王松燦和昆士蘭大學(xué)王連洲等通過典型的光輔助電沉積工藝，在BiVO4光陽極上設(shè)計了一種具有富氧空位的VOx析氧共催化劑(BVO/VOx)，其能夠有效加速OER動力學(xué)。在PEC水分解性能測試實(shí)驗(yàn)中，優(yōu)化后的BiVO4/VOx光陽極在1.23 VRHE時表現(xiàn)出較高的光流密度(6.29 mA cm?2)，幾乎是純的BiVO4的四倍；BiVO4/VOx的電荷轉(zhuǎn)移效率(?trans)達(dá)到96%，高于大多數(shù)報道的最先進(jìn)的BiVO4/析氧助催化劑光陽極。此外，在0.6 VRHE下，該催化劑在AM 1.5 G光照下連續(xù)反應(yīng)40 h，其光電流僅降低了11.7%，表明BiVO4/VOx光陽極具有良好的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和密度泛函理論(DFT)計算表明，富氧空位的VOx在V軌道上具有大量未配對的電子，導(dǎo)致形成未配位位點(diǎn)的存在；因此更多的水分子可以吸附在活性位點(diǎn)上，這使得在VOx/電解質(zhì)界面上電荷轉(zhuǎn)移的電導(dǎo)率顯著提高。此外，BVO和VOx之間共享的V-O鍵也有效地促進(jìn)了電荷轉(zhuǎn)移，進(jìn)而大大提高了對OER的催化活性。綜上，這項工作證明了釩基催化劑在PEC水氧化中的潛力，有利于推動用于太陽能-化學(xué)能轉(zhuǎn)換的釩基催化劑的進(jìn)一步發(fā)展。A BiVO4 Photoanode with a VOx Layer Bearing Oxygen Vacancies Offers Improved Charge Transfer and Oxygen Evolution Kinetics in Photoelectrochemical Water Splitting. Angewandte Chemie International Edition, 2023. DOI: 10.1002/anie.202217346
