西北工业大学王洪强Nature Communications:在钒酸铋光阳极中激光植入纳米晶实现高效光电化学水分解

【引言】

光电催化分解水被认为是一种极具潜能的产氢技术。其中钒酸铋(BiVO₄)作为一种具有代表性的金属氧化物光阳极材料受到了研究者的广泛研究。然而，钒酸铋的载流子迁移率低，这使得光生载流子在钒酸铋体内复合严重，导致了钒酸铋材料的光电流密度远远低于理论值(7.5 mA cm^-2)。因此，如何通过提升载流子输运性能来设计高效率的钒酸铋光阳极一直是一个巨大的挑战。研究者通过一系列策略来提升钒酸铋光阳极的电荷输运性质，比如掺杂、构建异质结构、等离子体和纳米结构等。尽管这些策略可以有效地提升钒酸铋光阳极的性能，但其固有载流子输运性能差的问题仍然阻碍着钒酸铋性能的进一步提高。因此，提升钒酸铋的固有载流子输运性能是提升钒酸铋光阳极性能的关键。

【成果简介】

  近日，西北工业大学的王洪强教授课题组在Nature Communications上发表了一篇题为“Embedding laser generated nanocrystals in BiVO₄ photoanode for efficient photoelectrochemical water splitting”的文章。该文章报道了一种通过液相脉冲激光辐照方法在钒酸铋光阳极体内引入纳米晶，为解决钒酸铋载流子输运性质差的问题提供了一种解决方案，钒酸铋双阳极的光电流密度可提升至6.22 mA cm^-2@ 1.23 V RHE，博士生简洁和硕士生徐有勋为该工作的共同第一作者。

【图文简介】

图1 La:BaSnO₃(LBSO)胶体的激光合成与加工(LSPC)

a) 胶体激光合成加工(LSPC)示意图；

b) LSPC处理之前的LBSO颗粒分散液的光学图片；

c, d) LBSO颗粒的SEM图片和XRD谱；

e) LSPC处理之后的LBSO胶体纳米晶光学图片；

f, g) LBSO胶体纳米晶的TEM图和XRD。

图2 Mo:BiVO4(MBVO)和LBSO-MBVO薄膜表征

a-d) MBVO薄膜的俯视图和侧视图SEM图，TEM和HRTEM图；

e-i) LBSO-MBVO薄膜的俯视图和侧视图SEM图，TEM、衍射图和HRTEM图；

j) MBVO主体的衍射图；

k) LBSO纳米晶的衍射图；

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

图3 MBVO和LBSO-MBVO光阳极薄膜的催化性能

a) 脉冲激光产生的纳米晶体嵌入MBVO薄膜的示意图；

b) 不同的LBSO-MBVO光阳极的J-V曲线；

c) MBVO和LBSO-MBVO的光电流密度统计（电压为23V处）；

d) LBSO-MVO-2双光阳极的J-V曲线；

e-f) 不同的LBSO-MBVO光阳极的IPCE和EIS曲线；

g-i) MBVO和LBSO-MBVO-2薄膜的MS曲线，时间分辨微波信号，最大TRMC信号入射光子数的关系曲线。

图4 WO₃和Au纳米晶对MBVO的性能增强作用

a-b) 激光处理前后的WO₃纳米晶胶体溶液；

c) WO₃纳米晶的TEM图；

d-e) WO₃-MBVO和MBVO的J-V曲线和IPCE曲线；

f-g) 激光处理前后的Au纳米晶胶体溶液；

h) Au纳米晶的TEM图；

i-j)  Au-MBVO和MBVO的J-V曲线和IPCE曲线。

【小结】

  研究者开发了一种普适性的脉冲激光辐照辅助纳米晶引入方法，这种纳米晶与MBVO结合可以获得较高的光电催化性能，其中双LBSO-MBVO阳极体系的电流密度可达6.22 mA cm^-2。该研究将为提高金属氧化物基光电极的PEC性能提供一个有效的解决方案。

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

【课题组简介】

王洪强，西北工业大学教授，材料学院副院长，陕西省石墨烯联合实验室副主任。一直致力于瞬态极端条件下，纳米材料的结构演变及相关物理/化学性能研究。迄今为止，已在Chem. Soc. Rev., Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Enviorn. Sci., ACS Nano, Nano Energy等期刊发表SCI论文70余篇，被引3000余次，H因子是30。课题组隶属于西北工业大学凝固技术国家重点实验室和纳米能源材料研究中心，目前主要开展瞬态极端条件材料与器件研究，研究涉及激光物质相互作用、界面超声化学、钙钛矿太阳能电池、光电化学水分解以及锂离子/锂硫电池。 

本文由金也编译供稿。