王连洲/王松灿AM：原位生成氧空位助力BiVO4光阳极高效光解水

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2020-05-15

钒酸铋（BiVO₄）具有合适的带隙，能吸收可见光，但是由于其电子空穴分离率差，导致大多数光生空穴在到达其表面进行析氧反应之前就消失了。有鉴于此，西北工业大学黄维院士团队王松灿教授和澳大利亚昆士兰大学王连洲教授报道了一种新的硫氧化策略，可将Bi₂S₃前体薄膜转变为平面BiVO₄薄膜，并在整个薄膜中原位形成O_V。值得注意的是，两步硫氧化法在BiVO₄薄膜中产生了大量的O_V，在AM 1.5 G光照条件下和相对于RHE 1.23 V的电压下，其η_sep高达98.2％，是已报道的BiVO₄光阳极中最高值。

文章要点

1）首先通过旋涂工艺制备了Bi₂S₃前体（BP-xM，x表示前体溶液中Bi³⁺的浓度）薄膜，然后在200 °C空气气氛中热处理10 min。为了制备高性能BiVO₄光阳极，研发了BP-xM膜的两种热反应策略，即一步和两步法煅烧策略。两种煅烧策略获得的BiVO₄膜具有相似的形貌，但两步法获得的BiVO₄膜更致密，晶体之间的空隙更少。此外，两步法获得的BiVO膜倾向于暴露{011}和{121}的氧化晶面。

2）采用NiFeO_x析氧助催化剂（OEC）修饰BiVO₄表面，表面空穴转移率（η_trans）高达92.2％，在AM 1.5 G光照条件下，BVO/NiFeO_x光电阳极在1.23 V可获得5.54 mA cm^-2的光电流密度。此外，由于表面存在优异析氧助催化剂NiFeO_x，可有效从BiVO₄提取光生空穴用于水氧化反应，在95 h的光照条件下（每连续光照20 h，暗态间隔5 h），光电流没有明显的衰减。堆叠两块BVO/NiFeO_x膜形成的双光阳极，可获得高达6.24 mA cm^-2的光电流密度和2.76％的光电转换效率。

3）本论文BiVO₄优异的光电化学性能归因于在整个薄膜上形成大量O_V，显著提高了多数载流子浓度和光电压，大幅提升了薄膜内的电子空穴分离率。

该研究为高活性和高稳定性光电化学分解水用平面光阳极的设计提供了一种简单而有效的策略。

Songcan Wang, et al, In Situ Formation of Oxygen Vacancies Achieving Near-Complete Charge Separation in Planar BiVO₄ Photoanodes, Adv. Mater. 2020

DOI: 10.1002/adma.202001385

https://doi.org/10.1002/adma.202001385