西北工业大学黄维院士、王松灿教授和昆士兰大学王连洲教授合作 Angew：VOx/BiVO4光电分解水

Original 化学与材料科学化学与材料科学 2023-01-22

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氢能的开发与利用是解决能源危机和实现我国“双碳”目标的重要保障。利用太阳能实现高效光电催化分解水制备氢气是当前最为环保绿色的理想技术之一。BiVO₄由于其成本低、无毒以及带隙合适的特点被认为是光电化催化分解水最有前途的光阳极之一。然而，由于BiVO₄光阳极表面析氧反应涉及四个电子的转移，析氧反应动力学十分缓慢，导致了严重的表面电荷复合，此外，在光电催化分解水过程中，BiVO₄光阳极容易受到严重的光腐蚀，导致其稳定性较差。

近日，西北工业大学黄维院士团队的王松灿教授和昆士兰大学的王连洲教授在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“A BiVO₄ Photoanode with a VOx Layer Bearing Oxygen Vacancies Offers Improved Charge Transfer and Oxygen Evolution Kinetics in Photoelectrochemical Water Splitting”的论文。该论文采用光辅助电沉积法在BiVO₄光阳极上生长了富含氧空位的非晶态VO_x薄膜，显著提升其光电催化分解水性能。优化后的BiVO₄/VO_x光阳极在AM 1.5 G的模拟太阳光及1.23 V vs RHE偏压下其光电流密度可以达到6.29 mA cm^-2，电荷转移效率高达96%，并且表现出较高的光电催化分解水稳定性。研究表明，非晶态的VO_x析氧助催化层在BiVO₄光阳极的光电催化分解水发挥着重要作用。BiVO₄表面富含氧空位的VO_x析氧助催化剂在V电子轨道上形成了大量未配对的电子，构成了低配位点，致使更多的水分子可以被吸附到活性位点上，显著提高了VO_x/电解液界面的电荷传输性能，从而进一步提高了表面析氧反应的催化活性。此外，BiVO₄和VO_x之间共享的V-O键有效地促进了电荷转移。同时，用密度泛函理论(DFT)计算研究了BiVO₄/V₂O₅和BiVO₄/VO_x在氧化还原过程中的反应势垒，非晶态的VO_x层更有利于表面析氧反应的进行，具有更强的催化活性。这项工作首次在BiVO₄光阳极表面负载了一种新型的VO_x析氧助催化剂并揭示了其催化作用机制，为设计高效稳定的太阳能光电催化分解水体系提供了一种新策略。

图1.（a）BVO/VO_x薄膜制备工艺示意图；（b-d）BVO的SEM图；（e-g）BVO/VO_x的SEM图；（h）BVO/VO_x的TEM图；（i）BVO/VO_x的HRTEM图，插图为红色框选部分的快速傅里叶转换（FFT）图；（j）BVO/VO_x的元素分布；（k）BVO和BVO/VO_x的XRD图谱。

图2.（a）BVO和BVO/VO_x的XPS全谱；（b）Bi 4f 谱；（c）V 2p 谱；（d）O 1s谱；（e）BVO和BVO/VO_x的拉曼光谱；（f）e图框选部分的放大。

图3.BVO和BVO/VO_x光阳极的PEC性能。BVO和BVO/VO_x光阳极在1mol/L硼酸盐缓冲电解液(pH=9.5)中AM 1.5 G照射下的（a）LSV曲线；（b）ABPE曲线；（c）电荷转移效率曲线；（d）BVO/VO_x光阳极在1mol/L的硼酸盐缓冲电解液(pH=9.5)中，0.6 V vs RHE时与在AM 1.5G照射下的J-t曲线。

图4. BVO和BVO/VO_x光阳极的（a）UV-Vis光谱；（b）1.23 V下的IPCE曲线；（c）EIS曲线；（d）暗态下的LSV曲线；（e）Tafel斜率曲线;（f）PL光谱；（j） TRPL曲线。（h）BVO/V₂O₅和（i）BVO/VO_x的吉布斯自由能变化。（h）和（i）中的插图：BVO/V₂O₅和BVO/VO_x的模型（黄色、蓝色、红色和黑色球分别表示Bi、V、O和O_v）。本文的第一作者为西北工业大学柔性电子前沿科学中心硕士生刘博言，通讯作者为黄维院士、王松灿教授和王连洲教授。上述工作得到了国家自然科学基金、西北工业大学翱翔海外学者计划、中央高校基本科研业务费等经费的支持。

作者简介

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王松灿，教授，博导，西北工业大学翱翔海外学者。2011和2014年分别获得中南大学学士和硕士学位，2018年获澳大利亚昆士兰大学博士学位（导师：王连洲教授，欧洲科学院院士、澳大利亚桂冠学者），随后继续在昆士兰大学从事博士后研究，并于2019年9月入职西北工业大学。聚焦于柔性光（热）电转换与存储的研究，包括柔性光催化、柔性光电器件、柔性热电材料与器件、柔性锌离子电池。作为第一/通讯作者，在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Rev.、Adv. Funct. Mater.和Nano Energy等本领域国际知名学术期刊发表论文21篇。累计发表学术论文60余篇，论文他引5000余次（Web of Science），H因子为33，10篇入选ESI高被引论文。累计获得学术奖励18项，包括西北工业大学翱翔海外学者、国家优秀自费留学生奖学金、J. Mater. Sci. Technol.优秀论文奖等。担任澳大利亚研究委员会基金项目评审专家、J. Cent. South Univ.和Tungsten期刊青年编委，参加重要国际学术会议18次，口头报告15次（包括5次邀请报告），受邀为Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal., B、Small、J. Mater. Sci. Technol.等多个知名学术期刊审稿。