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黃維/王松燦/王連洲等Angew.: 含有氧空位的活性VOx層,助力BiVO4光電陽極實現高效光電化學水分解

黃維/王松燦/王連洲等Angew.: 含有氧空位的活性VOx層,助力BiVO4光電陽極實現高效光電化學水分解
釩酸鉍(BiVO4)是最有前景的光電化學(PEC)水分解半導體之一,因為它具有狹窄的帶隙(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)和短空穴擴散長度(70 nm)引起嚴重的電荷復合。同時,由于析氧反應(OER)涉及四個電子的轉移,在OER過程中的動力學非常緩慢,這也會導致嚴重的表面電荷復合。在PEC水分解過程中,BiVO4光陽極也存在嚴重的光腐蝕,導致穩定性較差,這嚴重限制了其在PEC水分解中的大規模應用。
為解決上述問題,西北工業大學黃維王松燦昆士蘭大學王連洲等通過典型的光輔助電沉積工藝,在BiVO4光陽極上設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。
黃維/王松燦/王連洲等Angew.: 含有氧空位的活性VOx層,助力BiVO4光電陽極實現高效光電化學水分解
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在PEC水分解性能測試實驗中,優化后的BiVO4/VOx光陽極在1.23 VRHE時表現出較高的光流密度(6.29 mA cm?2),幾乎是純的BiVO4的四倍;BiVO4/VOx的電荷轉移效率(?trans)達到96%,高于大多數報道的最先進的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光照下連續反應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定性。
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實驗結果和密度泛函理論(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,導致形成未配位位點的存在;因此更多的水分子可以吸附在活性位點上,這使得在VOx/電解質界面上電荷轉移的電導率顯著提高。
此外,BVO和VOx之間共享的V-O鍵也有效地促進了電荷轉移,進而大大提高了對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-化學能轉換的釩基催化劑的進一步發展。
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

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