西北工業大學王洪強Nature Communications:在釩酸鉍光陽極中激光植入納米晶實現高效光電化學水分解

金也 4年前 (2019-06-21) 9941瀏覽

【引言】

光電催化分解水被認為是一種極具潛能的產氫技術。其中釩酸鉍(BiVO4)作為一種具有代表性的金屬氧化物光陽極材料受到了研究者的廣泛研究。然而，釩酸鉍的載流子遷移率低，這使得光生載流子在釩酸鉍體內復合嚴重，導致了釩酸鉍材料的光電流密度遠遠低于理論值(7.5 mA cm-2)。因此，如何通過提升載流子輸運性能來設計高效率的釩酸鉍光陽極一直是一個巨大的挑戰。研究者通過一系列策略來提升釩酸鉍光陽極的電荷輸運性質，比如摻雜、構建異質結構、等離子體和納米結構等。盡管這些策略可以有效地提升釩酸鉍光陽極的性能，但其固有載流子輸運性能差的問題仍然阻礙著釩酸鉍性能的進一步提高。因此，提升釩酸鉍的固有載流子輸運性能是提升釩酸鉍光陽極性能的關鍵。

【成果簡介】

? 近日，西北工業大學的王洪強教授課題組在Nature Communications上發表了一篇題為“Embedding laser generated nanocrystals in BiVO4 photoanode for efficient photoelectrochemical water splitting”的文章。該文章報道了一種通過液相脈沖激光輻照方法在釩酸鉍光陽極體內引入納米晶，為解決釩酸鉍載流子輸運性質差的問題提供了一種解決方案，釩酸鉍雙陽極的光電流密度可提升至6.22 mA cm-2@ 1.23 V RHE，博士生簡潔和碩士生徐有勛為該工作的共同第一作者。

【圖文簡介】

圖1 La:BaSnO3(LBSO)膠體的激光合成與加工(LSPC)

a) 膠體激光合成加工(LSPC)示意圖；

b) LSPC處理之前的LBSO顆粒分散液的光學圖片；

c, d) LBSO顆粒的SEM圖片和XRD譜；

e) LSPC處理之后的LBSO膠體納米晶光學圖片；

f, g) LBSO膠體納米晶的TEM圖和XRD。

圖2 Mo:BiVO4(MBVO)和LBSO-MBVO薄膜表征

a-d) MBVO薄膜的俯視圖和側視圖SEM圖，TEM和HRTEM圖；

e-i) LBSO-MBVO薄膜的俯視圖和側視圖SEM圖，TEM、衍射圖和HRTEM圖；

j) MBVO主體的衍射圖；

k) LBSO納米晶的衍射圖；

l) LBSO-MBVO薄膜的HAADF圖；m) LBSO-MBVO薄膜的元素TEM-mapping。

圖3 MBVO和LBSO-MBVO光陽極薄膜的催化性能

a) 脈沖激光產生的納米晶體嵌入MBVO薄膜的示意圖；

b) 不同的LBSO-MBVO光陽極的J-V曲線；

c) MBVO和LBSO-MBVO的光電流密度統計（電壓為23V處）；

d) LBSO-MVO-2雙光陽極的J-V曲線；

e-f) 不同的LBSO-MBVO光陽極的IPCE和EIS曲線；

g-i) MBVO和LBSO-MBVO-2薄膜的MS曲線，時間分辨微波信號，最大TRMC信號入射光子數的關系曲線。

圖4 WO3和Au納米晶對MBVO的性能增強作用

a-b) 激光處理前后的WO3納米晶膠體溶液；

c) WO3納米晶的TEM圖；

d-e) WO3-MBVO和MBVO的J-V曲線和IPCE曲線；

f-g) 激光處理前后的Au納米晶膠體溶液；

h) Au納米晶的TEM圖；

i-j)? Au-MBVO和MBVO的J-V曲線和IPCE曲線。

【小結】

? 研究者開發了一種普適性的脈沖激光輻照輔助納米晶引入方法，這種納米晶與MBVO結合可以獲得較高的光電催化性能，其中雙LBSO-MBVO陽極體系的電流密度可達6.22 mA cm-2。該研究將為提高金屬氧化物基光電極的PEC性能提供一個有效的解決方案。

文獻鏈接：Embedding laser generated nanocrystals in BiVO4 photoanode for efficient photoelectrochemical water splitting, 2019, Nature communications, 10, 2609. DOI: 10.1038/s41467-019-10543-z.

【課題組簡介】

王洪強，西北工業大學教授，材料學院副院長，陜西省石墨烯聯合實驗室副主任。一直致力于瞬態極端條件下，納米材料的結構演變及相關物理/化學性能研究。迄今為止，已在Chem. Soc. Rev., Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy?Enviorn. Sci., ACS Nano, Nano Energy等期刊發表SCI論文70余篇，被引3000余次，H因子是30。課題組隸屬于西北工業大學凝固技術國家重點實驗室和納米能源材料研究中心，目前主要開展瞬態極端條件材料與器件研究，研究涉及激光物質相互作用、界面超聲化學、鈣鈦礦太陽能電池、光電化學水分解以及鋰離子/鋰硫電池。?

本文由金也編譯供稿。

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