在BiVO4基光阳极材料的设计与应用研究中取得进展

太阳能光电化学（PEC）裂解水是将太阳能转化为氢能的一种有效的方法。在众多半导体光阳极中，BiVO4由于具有合适的导带、价带位置和禁带宽度而成为优异的光阳极材料。BiVO4的光吸收边在515nm，在AM1.5太阳光下的理论最大光电流密度（Jmax）为7.5 mA cm-2。然而实际的光分解水电流密度（JH2O）远小于其理论值，这主要是因为BiVO4在光PEC分解水的各个过程中存在能量损失。根据以往的报道，JH2O可以表示为JH2O = Jmax × ηabs × ηsep × ηtrans，其中ηabs是吸光效率，ηsep是电荷分离效率，ηtrans是表面空穴转移效率。目前BiVO4光阳极的ηsep和ηtrans低下，且相对过宽的带隙和不稳定性进一步限制了其光电转换效率的提高和实际应用。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所与北京大学、复旦大学合作，在BiVO4基光阳极的设计及其在光电催化裂解水的应用研究中取得新进展。研究团队采用典型制备纳米结构BiVO4光阳极的方法，并以氢等离子体还原技术在室温下制备了还原态的黑色纳米结构BiVO4光阳极。黑色纳米结构BiVO4光阳极不仅可以提高电荷传输和分离效率，而且大大拓展了其可见光的吸收谱域（带隙缩小了0.3 eV），但该黑色纳米结构BiVO4光阳极表面催化效率并没有得到显著提高，且稳定性不佳。另外，采用传统的产氧催化剂（OEC）负载使得光阳极和催化剂之间的电荷复合非常严重。为此，该团队通过进一步的实验设计，采用ALD技术在纳米结构的BiVO4光阳极表面负载无定形的TiO2，再进一步还原。EELS结果表明，这种负载TiO2的BiVO4在还原的过程中，自身同样获得了和黑色纳米结构BiVO4相同的还原程度，而无形的TiO2被还原成了无定形的TiO2-x。这种无定形TiO2-x包覆的还原态BiVO4(b- BiVO4/TiO2-x)光阳极的电荷传输和分离特性与黑色纳米结构BiVO4光阳极的特性基本一致。最终的b- BiVO4/TiO2-x光阳极可以实现在低电压下获得比较高的电流密度（3.85 mA cm-2 at 0.6 VRHE），因此，该光阳极取得了2.5%的偏压转化效率（ABPE）。进一步研究发现，无定形的TiO2-x不仅充当了OEC催化剂的作用，而且还起到了稳定还原态BiVO4光阳极的作用，从而实现了b- BiVO4/TiO2-x光阳极长久稳定高效的水的裂解。相关研究成果以Novel black-BiVO4/TiO2-xPhotoanode with Enhanced Photon Absorption and Charge Separation for Efficient and Stable Solar Water Splitting 为题发表于国际期刊《先进能源材料》（Advanced Energy Materials 2019（DOI: 10.1002/aenm.201901287），上海硅酸盐所博士田章留和复旦大学博士研究生张鹏飞为共同第一作者，上海硅酸盐所研究员黄富强和中科院院士、复旦大学教授赵东元为共同通讯作者。

上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院和上海市科委等的资助。