文献速递 |黄勇潮团队 Chemical Engineering Journal Bi2S3量子点有效的触发PEC水氧化

2021年7月，Chemical Engineering Journal杂志在线发表了广州大学黄勇潮团队在光电催化领域的最新研究成果。该工作报道了通过Bi₂S₃量子点成功地在BiVO₄/FeOOH光阳极引入氧空位，并触发有效的PEC水氧化。

第一作者：卢信宇

通讯作者：黄勇潮、纪红兵

DOI：doi.org/10.1016/j.cej.2021.131027

01

背景介绍

光电化学(PEC)水裂解技术被认为是最具发展前景的可再生氢技术之一，BiVO₄是一种很有前途的光阳极材料，由于其具有良好的带隙和抗光腐蚀的稳定性，在水裂解方面得到了广泛的研究，但电荷复合严重导致其光电流密度较低。因此，迫切需要改进电荷分离来提高BiVO₄的PEC性能。我们证明了利用Bi₂S₃量子点可以成功地在BiVO₄/FeOOH光阳极引入氧空位，并触发有效的PEC水氧化。实验和计算结果表明，FeOOH共催化剂和Bi₂S₃量子点的引入显著提高了电荷传递和电荷分离。这项工作不仅为高效稳定的BiVO₄光阳极提供了有效的途径，而且为可持续的太阳能转换提供了新的氧空位引入策略。

02

本文亮点

利用FeOOH与BiVO₄复合实现氧空位的构建，利用FeOOH共催化剂和Bi₂S₃量子点的引入提高光电催化性能。

03

图文解析

图1 Vo-BiVO₄/FeOOH光催化剂的合成路径

通过电镀方法制备得到BiOI前驱体，将水热法制备得到的Bi₂S₃量子点加入到钒的DMSO溶液中对BiOI进行烧结，得到氧空位掺杂的BiVO₄材料，下一步在材料表面光电沉积FeOOH，得到Vo-BiVO₄/FeOOH。

图2 Vo-BiVO₄/FeOOH光催化剂的SEM、TEM、HRTEM图

通过SEM图可以看到，氧空位和FeOOH的负载并没有改变BiVO₄的原有形貌。高分辨透射电镜显示了一个0.31 nm的晶格，对应于BiVO₄的单斜晶结构(1 2 1)相。在BiVO₄ /FeOOH表面可以观察到5 nm的非晶层, 发现Bi、V、O和Fe的分布均匀, 说明Vo-BiVO₄/FeOOH的形成构建成功。

图3 Vo-BiVO₄/FeOOH光催化剂的产氢性能表征

文中进行了Vo-BiVO₄和Vo-BiVO₄/FeOOH样品在0.75 V vs RHE下的长期稳定性测试。辐照11 h后，Vo-BiVO₄电极的电流密度从1.02 mA·cm⁻²下降到0.1 mA·cm⁻²，在电沉积FeOOH后，电流密度在11 h内稳定，没有任何下降，说明FeOOH在防止Vo-BiVO4轻腐蚀中发挥了重要作用。Vo-BiVO₄的氧空位含量随着试验时间的延长而降低，而Vo-BiVO₄/FeOOH的含量保持不变。由此推断，氧空位的减少会降低样品的性能。通过气相色谱积分确定并定量了H₂和O₂气体的产量(图3D)。试验11 h后，H₂和O₂含量分别为590 μmol和260 μmol。

图4 Vo-BiVO₄/FeOOH光催化产氢示意图

基于结果和分析，提出了如图4所示的增强Vo-BiVO₄/FeOOH光阳极PEC性能的机制。将优化后的氧空位引入BiVO₄，不仅提高了电导率和电荷转移效率，还提供了更多的反应位点。随后，在Vo-BiVO₄表面光电沉积FeOOH层，进一步提高电荷转移效率，并作为钝化层抑制电空穴复合，防止光腐蚀。超薄FeOOH中的Fe³⁺/Fe²⁺比值增强了催化能力。Vo-BiVO₄/FeOOH光阳极中的光生电子通过外接电路转移到Pt电极上，参与水还原反应生成H₂，在Vo-BiVO₄/FeOOH光阳极中的Fe³⁺氧化H₂O生成O₂。

04

全文小结

本文通过简单的方法制备了Vo-BiVO₄/FeOOH光阳极，并表现出了良好的PEC水氧化性能。在AM 1.5 G照明下，优化后的Vo-BiVO₄/FeOOH在1.23 V下的光电流密度可达4.71 mA·cm⁻²。电导率和电荷转移效率的提高归因于氧空位和FeOOH的引入。FeOOH层还可作为钝化层，抑制电孔复合，防止光腐蚀。因此，Vo-BiVO₄/FeOOH在光照下可保持较长时间的长期稳定性。本研究证明了一种简单有效的制备BiVO₄光阳极用于PEC水裂解的方法。

05

作者介绍

黄勇潮，广州大学副教授。

主要研究方向为：污染生态和环境化工技术，主要从事环境化学与技术、化工能源等，致力于绿色、经济型环境保护技术的研发和应用，特别是： 

（1）太阳能驱动海水淡化；

（2）水污染控制技术与资源化研究；

（3） 纳米材料的研发和应用。

文献信息：

Xinyu Lu, Kai-hang Ye, Siqi Zhang et al. Amorphous type FeOOH modified defective BiVO₄ photoanodes for photoelectrochemical water oxidation. Chemical Engineering Journal, 2021, 428, 131027.

06

使用仪器

PLS-FX300HU高均匀性一体氙灯光源，输出光斑为矩形均匀光斑，光斑大小10×10~50×50 mm²联系可调，最大输出光功率密度＞3000 mW/cm²。标配液芯光纤，照射角度更加灵活。除用电流条件输出光强外，还可采用电动光阑实现光功率的精细调节。

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