Adv. Mater. : 富含氧空位的新型BiVO4双光阳极用于高效太阳能光解水

【引言】

钒酸铋（BiVO₄）被认为是光电分解水制氢最有前景的光阳极材料之一。BiVO₄的带隙为2.4 eV，在AM 1.5 G的照度下（100 mW/cm²），可达到的理论光电流密度为7.5 mA/cm²，对应的太阳能到氢气（STH）的效率为9.2%。虽然BiVO₄的带隙比光电分解水的理想带隙2.0 eV略大，但它的导带边缘位置非常靠近H₂析出电位，因此与许多其它光阳极材料相比，在低电势区域，BiVO₄具有更低的起始电势和更高的光电流密度。

鉴于这些优势，BiVO₄光阳极常被用在光解水-光伏串联系统上进行太阳能驱动的无偏压水分解。为了在光解水-光伏串联系统中实现高的STH效率，要求前面的BiVO₄光阳极在实现高的光电流密度的同时，具有好的透光性，以实现光透过BiVO₄薄膜后激发其后的太阳能电池。BiVO₄光阳极的实际光电流密度（J_p）主要取决于光吸收效率（η_abs）、电荷分离效率（η_sep），以及电荷输运速率（η_trans），即：J_p=J_max × η_abs × η_sep × η_trans。最近有研究显示，当BiVO₄与适宜的析氧催化剂复合时，在析氧反应过程中其电荷输运效率（η_trans）可接近最大值。

然而，在光解水-光伏串联系统中，使透明的BiVO₄光阳极实现高的光吸收效率和电荷分离效率（η_abs × η_sep）依旧极具挑战性。这是因为光吸收效率（η_abs）和电荷分离效率（η_sep）是耦合影响的，即：较薄的BiVO₄膜通常有较高的光吸收效率和较低的电荷分离效率，反之亦然。因此，如何进一步提高BiVO₄光阳极薄膜的透光性，同时保持高的光电流密度，在光解水-光伏串联系统中实现高的STH效率，仍然是具有挑战性的。

【成果简介】

近日，澳大利亚昆士兰大学的王连洲教授和中科院金属研究所的刘岗研究员（共同通讯作者）报道了一种通过电化学沉积及煅烧过程制备富含氧空位的高透明BiVO₄光阳极的新方法。该BiVO₄双光电阳极由2片相同的透明BiVO₄薄膜构成，具有极高的光电流密度，在1.23 V（vs. RHE）下达6.22 mA/cm²（照度AM 1.5 G），对应于高达83%的光吸收效率与电荷分离效率之积（η_abs × η_sep）。 通过沉积析氧催化剂FeOOH/NiOOH，BiVO₄双光阳极的光电流密度可达5.87 mA/cm²（1.23 V vs. RHE），光电分解水的ABPE效率可达2.2%（0.7 V vs. RHE，照度AM 1.5 G）。该工作中报道的光电催化效率是目前不使用敏化剂及贵金属的BiVO₄光阳极中最高的。该BiVO₄双光阳极在与钙钛矿太阳能电池组合后，在无偏压光电分解水实验中实现了6.5%的STH效率。该研究通过引入氧空位提高电荷分离效率（η_sep），通过双光阳极提高光吸收效率（η_abs）的策略，为设计用于无偏压光电分解水的高效光电极提供了新路径。相关研究成果以“New BiVO₄ Dual Photoanodes with Enriched Oxygen Vacancies for Efficient Solar-Driven Water Splitting”为题发表在Advanced Materials上。

【图文导读】

图一 通过电化学沉积及煅烧过程制备的BiVO₄光阳极的照片及其SEM图像

（a）BiVO₄光阳极的照片

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

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

图二 光电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曲线

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

（c）BVO-1.5h，2-BVO-1.5h以及BVO-S的紫外-可见吸收曲线

（d）BVO-1.5h和BVO-S的XPS O 1s图谱对比

图三 修饰FeOOH/NiOOH析氧催化剂后BiVO₄光阳极的光电催化性能表征

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

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

（c）2-BVO-1.5h/FeOOH/NiOOH的在1.23V （vs. RHE）及AM 1.5 G照度下的稳定性测试

（d）1.23V （vs. RHE）及AM 1.5 G照度下，使用2-BVO-1.5h/FeOOH/NiOOH光阳极体系的H₂及O₂析出量随时间的变化

图四 BiVO₄双光阳极及钙钛矿太阳能电池串联体系（PEC-PSC）的构筑及其光电催化性能评价

（a）BiVO₄双光阳极及钙钛矿太阳能电池串联体系示意图

（b）AM 1.5 G照度下，钙钛矿太阳能电池（I），体系中位于2-BVO-FeOOH/NiOOH之后的钙钛矿太阳能电池（II），以及2-BVO-FeOOH/NiOOH电极（III）的J-V曲线

（c）非辅助条件下（0 V vs. Pt对电极）体系分解水的稳定性

【小结】

该研究报道了一种通过电化学沉积和热处理制备富含氧空位BiVO₄膜的简易方法。在沉积FeOOH/NiOOH析氧催化剂后，该光阳极在1.23 V vs. RHE下显示了极高的光电流密度（5.13 mA/cm²）。当前后布置2片相同的该光阳极时，400-520 nm范围内的光吸收增强，在1.23 V vs. RHE条件下光电流密度提高到5.87 mA/cm²，相当于6.5%的STH效率。该研究对于发展简便、低成本的BiVO₄膜以实现高效、稳定的无偏压光解水指明了方向。

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

【通讯作者简介】

刘岗，中国科学院金属研究所研究员，中国科学院特聘研究员，英国圣安德鲁斯大学荣誉教授，一直致力于太阳能转换用光催化材料的研究。2003年毕业于吉林大学材料物理专业，2009年在中科院金属所获材料学博士学位。在Advanced Materials、JACS、Angew Chem Int Ed、Energy Environ Sci等期刊发表SCI论文110余篇，所发表论文被SCI引用一万三千余次（h因子48），申请专利25项（10项获授权）。曾获得包括中国青年科技奖、中国化学会青年化学奖、全国百篇优秀博士学位论文奖等十余项学术奖励与荣誉，是国家“万人计划”首批青年拔尖人才和第三批科技创新领军人才、国家自然科学基金委优秀青年基金、教育部“长江学者奖励计划”青年学者、科技部中青年科技创新领军人才、英国皇家学会-牛顿高级学者基金等人才项目的获得者。

王连洲，现为澳大利亚昆士兰大学化工学院教授，纳米材料研究中心主任，澳大利亚生物工程与纳米科技研究所（AIBN）兼职课题组长。主要从事功能纳米材料和纳米器件研发及其在清洁能源转换领域的应用研究, 包括纳米光催化材料，新一代太阳能电池，及新型充电电池等。在诸多国际期刊包括Chem Rev. Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., J. Am.Chem. Soc, Angew. Chem. 等发表论文220余篇，专著章节9部，申请专利12项。近年作为主要负责人先后承担了澳大利亚基金委、澳洲科学院、澳洲协同创新中心，昆士兰州政府以及工业界等30余项竞争性研究项目，总金额超1600万澳元。担任《科学通报》英文版Science Bulletin及Journal of Nanoparticles Research等国际期刊副主编。获得澳洲基金委女王伊丽莎白学者(2006)及未来学者(2012)称号，昆士兰大学研究优秀奖(2008)，澳洲Scopus寻找科技新星奖(2011)，目前担任澳洲基金委专家组大评委，入选英国皇家化学会会士。

本文由材料人编辑部新人组周伟编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

材料测试、数据分析，上测试谷！