Nat. Energy ：通過調節電解質組分增強太陽能分解水中BiVO4光陽極的長期光穩定性

【引言】

最近，BiVO₄由于其諸多優越性能，已成為用于光電化學池(PEC)分解水最有前景的氧化物基光陽極之一。隨著BiVO₄基光陽極性能的持續提升， BiVO₄的光穩定性受到關注。目前，有兩種方法可緩解光電極的光腐蝕。一種方法是將保護層附于光電極上，另一種是使用催化劑層以增加界面電荷轉移的速度。

【成果簡介】

近日，威斯康星大學麥迪遜分校Kyoung-Shin Choi教授(通訊作者)等報道了優化電解質的組成可以作為抑制太陽能分解水過程中光腐蝕的策略之一，并在Nat. Energy上發表了題為“Enhancing long-term photostability of BiVO₄ photoanodes for solar water splitting by tuning electrolyte composition”的研究論文。BiVO₄光陽極的陽極光腐蝕即V⁵⁺從BiVO₄晶格中逸出。作者證實使用V⁵⁺飽和的電解質可抑制光氧化附帶的BiVO₄分解，可以作為一種抑制BiVO₄的陽極光腐蝕簡單而有效的方法。溶液中的V⁵⁺可以與附著于BiVO₄表面的FeOOH/NiOOH制氧催化劑層整合，進一步促進水氧化動力學。最后系統性闡述了電解質中V⁵⁺對于 BiVO₄的長期光穩定性和FeOOH/NiOOH制氧催化劑層的性能的影響。

【圖文簡介】

圖1 納米多孔BiVO₄電極的形貌

a) 納米多孔BiVO₄電極的俯視SEM圖像；

b) 納米多孔BiVO₄電極的側視SEM圖像。

圖2 BiVO₄/FeOOH/NiOOH的性能和穩定性

a) KB溶液中，BiVO₄(黑色)和BiVO₄/FeOOH/NiOOH(藍色)的J-V曲線圖(AM 1.5 G，100 mW·cm^-2照射；掃速：10 mV·s^-1) 純BiVO4的暗電流為黑色虛線；

b) KB溶液中BiVO₄/FeOOH/NiOOH的J-t曲線圖；

c) 在KB溶液中對BiVO₄進行J-t測試60 h前(黑色)后(藍色)的XRD譜圖；

d) 進行J-t測試60 h前后的KB溶液的ICP分析。

圖3 電解質中V⁵⁺對BiVO₄/FeOOH/NiOOH的性能和穩定性

a) BiVO₄/FeOOH/NiOOH薄膜在KB溶液(藍色)和KB + V溶液(紅色)中的J-V曲線圖(AM 1.5 G，100 mW·cm^-2照射；掃速：10 mV·s^-1) BiVO₄/FeOOH/NiOOH在KB + V溶液中的暗電流為紅色虛線；

b) BiVO₄/FeOOH/NiOOH薄膜在KB(藍色)和KB + V(紅色)中的J-t曲線圖；

c) 在KB+ V溶液中對BiVO₄進行J-t測試60 h前(黑色)后(紅色)的XRD譜圖；

d) 進行J-t測試60 h前后的KB+ V溶液的ICP分析。

圖4 電解質中V⁵⁺對OEC層的影響

a) 負載于FTO的FeOOH/NiOOH薄膜在KB 溶液(藍色)、KB + V 溶液(紅色)和KB + Fe + Ni溶液(粉色)的J-t曲線；

b) 負載于FTO的FeOOH/NiOOH薄膜在60 h J-t測試前(虛線)后(實線)的LSV曲線；

c) 負載于FTO的FeOOH/NiOOH薄膜在KB + V溶液進行20 h測試(紅色)后在KB溶液進行60 h測試(藍色)。

圖5 催化劑的長期穩定性測試

a) BiVO₄/FeOOH/NiOOH薄膜在KB + V溶液中的J-t曲線圖；

b,c) BiVO₄/FeOOH/NiOOH薄膜在測試300 h后的XRD譜圖和SEM圖像；

d,e) BiVO₄/FeOOH/NiOOH薄膜在測試500 h后的XRD譜圖和SEM圖像。

【小結】

研究人員證實了使用V⁵⁺飽和電解液能夠抑制BiVO₄的陽極光腐蝕。V⁵⁺電解質抑制了光氧化附帶的BiVO₄分解，阻礙了BiVO₄的陽極光腐蝕。上述通過優化電解質成分的抑制光腐蝕策略也可用于其他存在光腐蝕現象的光電極。此外，研究人員還發現含V⁵⁺電解質可以在FeOOH/NiOOH薄膜表面原位生成含釩界面層，可以促進水氧化動力學。該研究表明采用合適的電解質，可以抑制光電極和催化劑的活性成分的損失，是提升具有活性高但穩定性稍差的光電極和催化劑長期穩定性的一種有效的方法。

文獻鏈接： Enhancing long-term photostability of BiVO₄ photoanodes for solar water splitting by tuning electrolyte composition? (Nat. Energy, 2017, DOI: 10.1038/s41560-017-0057-0)

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