Adv. Mater. : 富含氧空位的新型BiVO4雙光陽極用于高效太陽能光解水

【引言】

釩酸鉍（BiVO₄）被認為是光電分解水制氫最有前景的光陽極材料之一。BiVO₄的帶隙為2.4 eV，在AM 1.5 G的照度下（100 mW/cm²），可達到的理論光電流密度為7.5 mA/cm²，對應的太陽能到氫氣（STH）的效率為9.2%。雖然BiVO₄的帶隙比光電分解水的理想帶隙2.0 eV略大，但它的導帶邊緣位置非常靠近H₂析出電位，因此與許多其它光陽極材料相比，在低電勢區域，BiVO₄具有更低的起始電勢和更高的光電流密度。

鑒于這些優勢，BiVO₄光陽極常被用在光解水-光伏串聯系統上進行太陽能驅動的無偏壓水分解。為了在光解水-光伏串聯系統中實現高的STH效率，要求前面的BiVO₄光陽極在實現高的光電流密度的同時，具有好的透光性，以實現光透過BiVO₄薄膜后激發其后的太陽能電池。BiVO₄光陽極的實際光電流密度（J_p）主要取決于光吸收效率（η_abs）、電荷分離效率（η_sep），以及電荷輸運速率（η_trans），即：J_p=J_max × η_abs × η_sep × η_trans。最近有研究顯示，當BiVO₄與適宜的析氧催化劑復合時，在析氧反應過程中其電荷輸運效率（η_trans）可接近最大值。

然而，在光解水-光伏串聯系統中，使透明的BiVO₄光陽極實現高的光吸收效率和電荷分離效率（η_abs × η_sep）依舊極具挑戰性。這是因為光吸收效率（η_abs）和電荷分離效率（η_sep）是耦合影響的，即：較薄的BiVO₄膜通常有較高的光吸收效率和較低的電荷分離效率，反之亦然。因此，如何進一步提高BiVO₄光陽極薄膜的透光性，同時保持高的光電流密度，在光解水-光伏串聯系統中實現高的STH效率，仍然是具有挑戰性的。

【成果簡介】

近日，澳大利亞昆士蘭大學的王連洲教授和中科院金屬研究所的劉崗研究員（共同通訊作者）報道了一種通過電化學沉積及煅燒過程制備富含氧空位的高透明BiVO₄光陽極的新方法。該BiVO₄雙光電陽極由2片相同的透明BiVO₄薄膜構成，具有極高的光電流密度，在1.23 V（vs. RHE）下達6.22 mA/cm²（照度AM 1.5 G），對應于高達83%的光吸收效率與電荷分離效率之積（η_abs × η_sep）。 通過沉積析氧催化劑FeOOH/NiOOH，BiVO₄雙光陽極的光電流密度可達5.87 mA/cm²（1.23 V vs. RHE），光電分解水的ABPE效率可達2.2%（0.7 V vs. RHE，照度AM 1.5 G）。該工作中報道的光電催化效率是目前不使用敏化劑及貴金屬的BiVO₄光陽極中最高的。該BiVO₄雙光陽極在與鈣鈦礦太陽能電池組合后，在無偏壓光電分解水實驗中實現了6.5%的STH效率。該研究通過引入氧空位提高電荷分離效率（η_sep），通過雙光陽極提高光吸收效率（η_abs）的策略，為設計用于無偏壓光電分解水的高效光電極提供了新路徑。相關研究成果以“New BiVO₄ Dual Photoanodes with Enriched Oxygen Vacancies for Efficient Solar-Driven Water Splitting”為題發表在Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖一 通過電化學沉積及煅燒過程制備的BiVO₄光陽極的照片及其SEM圖像

（a）BiVO₄光陽極的照片

（b）BVO-0.5h，BVO-1h，BVO-1.5h，以及BVO-2h的XRD譜圖

（c）~（f）BVO-0.5h，BVO-1h，BVO-1.5h，以及BVO-2h的SEM圖像

圖二 光電催化性能表征及氧空位的XPS表征

（a）BVO-1.5h，2-BVO-1.5h及BVO-S的J-V曲線

（b）BVO-1.5h，2-BVO-1.5h及BVO-S在1.23 V（vs. RHE）下的IPCE曲線

（c）BVO-1.5h，2-BVO-1.5h以及BVO-S的紫外-可見吸收曲線

（d）BVO-1.5h和BVO-S的XPS O 1s圖譜對比

圖三 修飾FeOOH/NiOOH析氧催化劑后BiVO₄光陽極的光電催化性能表征

（a）BVO-1.5h，BVO-1.5h/FeOOH/NiOOH及2-BVO-1.5h/FeOOH/NiOOH的J-V曲線

（b）BVO-1.5h，BVO-1.5h/FeOOH/NiOOH及2-BVO-1.5h/FeOOH/NiOOH的ABPE曲線

（c）2-BVO-1.5h/FeOOH/NiOOH的在1.23V （vs. RHE）及AM 1.5 G照度下的穩定性測試

（d）1.23V （vs. RHE）及AM 1.5 G照度下，使用2-BVO-1.5h/FeOOH/NiOOH光陽極體系的H₂及O₂析出量隨時間的變化

圖四 BiVO₄雙光陽極及鈣鈦礦太陽能電池串聯體系（PEC-PSC）的構筑及其光電催化性能評價

（a）BiVO₄雙光陽極及鈣鈦礦太陽能電池串聯體系示意圖

（b）AM 1.5 G照度下，鈣鈦礦太陽能電池（I），體系中位于2-BVO-FeOOH/NiOOH之后的鈣鈦礦太陽能電池（II），以及2-BVO-FeOOH/NiOOH電極（III）的J-V曲線

（c）非輔助條件下（0 V vs. Pt對電極）體系分解水的穩定性

【小結】

該研究報道了一種通過電化學沉積和熱處理制備富含氧空位BiVO₄膜的簡易方法。在沉積FeOOH/NiOOH析氧催化劑后，該光陽極在1.23 V vs. RHE下顯示了極高的光電流密度（5.13 mA/cm²）。當前后布置2片相同的該光陽極時，400-520 nm范圍內的光吸收增強，在1.23 V vs. RHE條件下光電流密度提高到5.87 mA/cm²，相當于6.5%的STH效率。該研究對于發展簡便、低成本的BiVO₄膜以實現高效、穩定的無偏壓光解水指明了方向。

文獻鏈接：New BiVO₄ Dual Photoanodes with Enriched Oxygen Vacancies for Efficient Solar-Driven Water Splitting（Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201800486）

【通訊作者簡介】

劉崗，中國科學院金屬研究所研究員，中國科學院特聘研究員，英國圣安德魯斯大學榮譽教授，一直致力于太陽能轉換用光催化材料的研究。2003年畢業于吉林大學材料物理專業，2009年在中科院金屬所獲材料學博士學位。在Advanced Materials、JACS、Angew Chem Int Ed、Energy Environ Sci等期刊發表SCI論文110余篇，所發表論文被SCI引用一萬三千余次（h因子48），申請專利25項（10項獲授權）。曾獲得包括中國青年科技獎、中國化學會青年化學獎、全國百篇優秀博士學位論文獎等十余項學術獎勵與榮譽，是國家“萬人計劃”首批青年拔尖人才和第三批科技創新領軍人才、國家自然科學基金委優秀青年基金、教育部“長江學者獎勵計劃”青年學者、科技部中青年科技創新領軍人才、英國皇家學會-牛頓高級學者基金等人才項目的獲得者。

王連洲，現為澳大利亞昆士蘭大學化工學院教授，納米材料研究中心主任，澳大利亞生物工程與納米科技研究所（AIBN）兼職課題組長。主要從事功能納米材料和納米器件研發及其在清潔能源轉換領域的應用研究, 包括納米光催化材料，新一代太陽能電池，及新型充電電池等。在諸多國際期刊包括Chem Rev. Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., J. Am.Chem. Soc, Angew. Chem. 等發表論文220余篇，專著章節9部，申請專利12項。近年作為主要負責人先后承擔了澳大利亞基金委、澳洲科學院、澳洲協同創新中心，昆士蘭州政府以及工業界等30余項競爭性研究項目，總金額超1600萬澳元。擔任《科學通報》英文版Science Bulletin及Journal of Nanoparticles Research等國際期刊副主編。獲得澳洲基金委女王伊麗莎白學者(2006)及未來學者(2012)稱號，昆士蘭大學研究優秀獎(2008)，澳洲Scopus尋找科技新星獎(2011)，目前擔任澳洲基金委專家組大評委，入選英國皇家化學會會士。

本文由材料人編輯部新人組周偉編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

材料測試、數據分析，上測試谷！