Nat. Energy ：通过调节电解质组分增强太阳能分解水中BiVO4光阳极的长期光稳定性

【引言】

最近，BiVO₄由于其诸多优越性能，已成为用于光电化学池(PEC)分解水最有前景的氧化物基光阳极之一。随着BiVO₄基光阳极性能的持续提升， BiVO₄的光稳定性受到关注。目前，有两种方法可缓解光电极的光腐蚀。一种方法是将保护层附于光电极上，另一种是使用催化剂层以增加界面电荷转移的速度。

【成果简介】

近日，威斯康星大学麦迪逊分校Kyoung-Shin Choi教授(通讯作者)等报道了优化电解质的组成可以作为抑制太阳能分解水过程中光腐蚀的策略之一，并在Nat. Energy上发表了题为“Enhancing long-term photostability of BiVO₄ photoanodes for solar water splitting by tuning electrolyte composition”的研究论文。BiVO₄光阳极的阳极光腐蚀即V⁵⁺从BiVO₄晶格中逸出。作者证实使用V⁵⁺饱和的电解质可抑制光氧化附带的BiVO₄分解，可以作为一种抑制BiVO₄的阳极光腐蚀简单而有效的方法。溶液中的V⁵⁺可以与附着于BiVO₄表面的FeOOH/NiOOH制氧催化剂层整合，进一步促进水氧化动力学。最后系统性阐述了电解质中V⁵⁺对于 BiVO₄的长期光稳定性和FeOOH/NiOOH制氧催化剂层的性能的影响。

【图文简介】

图1 纳米多孔BiVO₄电极的形貌

a) 纳米多孔BiVO₄电极的俯视SEM图像；

b) 纳米多孔BiVO₄电极的侧视SEM图像。

图2 BiVO₄/FeOOH/NiOOH的性能和稳定性

a) KB溶液中，BiVO₄(黑色)和BiVO₄/FeOOH/NiOOH(蓝色)的J-V曲线图(AM 1.5 G，100 mW·cm^-2照射；扫速：10 mV·s^-1) 纯BiVO4的暗电流为黑色虚线；

b) KB溶液中BiVO₄/FeOOH/NiOOH的J-t曲线图；

c) 在KB溶液中对BiVO₄进行J-t测试60 h前(黑色)后(蓝色)的XRD谱图；

d) 进行J-t测试60 h前后的KB溶液的ICP分析。

图3 电解质中V⁵⁺对BiVO₄/FeOOH/NiOOH的性能和稳定性

a) BiVO₄/FeOOH/NiOOH薄膜在KB溶液(蓝色)和KB + V溶液(红色)中的J-V曲线图(AM 1.5 G，100 mW·cm^-2照射；扫速：10 mV·s^-1) BiVO₄/FeOOH/NiOOH在KB + V溶液中的暗电流为红色虚线；

b) BiVO₄/FeOOH/NiOOH薄膜在KB(蓝色)和KB + V(红色)中的J-t曲线图；

c) 在KB+ V溶液中对BiVO₄进行J-t测试60 h前(黑色)后(红色)的XRD谱图；

d) 进行J-t测试60 h前后的KB+ V溶液的ICP分析。

图4 电解质中V⁵⁺对OEC层的影响

a) 负载于FTO的FeOOH/NiOOH薄膜在KB 溶液(蓝色)、KB + V 溶液(红色)和KB + Fe + Ni溶液(粉色)的J-t曲线；

b) 负载于FTO的FeOOH/NiOOH薄膜在60 h J-t测试前(虚线)后(实线)的LSV曲线；

c) 负载于FTO的FeOOH/NiOOH薄膜在KB + V溶液进行20 h测试(红色)后在KB溶液进行60 h测试(蓝色)。

图5 催化剂的长期稳定性测试

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

b,c) BiVO₄/FeOOH/NiOOH薄膜在测试300 h后的XRD谱图和SEM图像；

d,e) BiVO₄/FeOOH/NiOOH薄膜在测试500 h后的XRD谱图和SEM图像。

【小结】

研究人员证实了使用V⁵⁺饱和电解液能够抑制BiVO₄的阳极光腐蚀。V⁵⁺电解质抑制了光氧化附带的BiVO₄分解，阻碍了BiVO₄的阳极光腐蚀。上述通过优化电解质成分的抑制光腐蚀策略也可用于其他存在光腐蚀现象的光电极。此外，研究人员还发现含V⁵⁺电解质可以在FeOOH/NiOOH薄膜表面原位生成含钒界面层，可以促进水氧化动力学。该研究表明采用合适的电解质，可以抑制光电极和催化剂的活性成分的损失，是提升具有活性高但稳定性稍差的光电极和催化剂长期稳定性的一种有效的方法。

文献链接： 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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