章福祥团队揭示一步热解法制备钒酸铋光阳极中制约水氧化性能的关键因素

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近日，我所太阳能研究部太阳能制储氢材料与催化研究组（DNL1621组）章福祥研究员团队在钒酸铋（BiVO4）光阳极水氧化研究方面取得新进展，揭示了一步热解法制备钒酸铋光阳极中制约水氧化性能的关键因素为钒元素的流失，以及四方相杂质的生成。
　　光电催化分解水是实现太阳能到绿氢转化的一条理想途径，其中高效光阳极的可控制备及易于放大是实现这一技术规模应用的关键一环。单斜相BiVO4为一种兼顾宽范围可见光利用和优良光电稳定性特点的“明星”材料，已被广泛用于光阳极水氧化研究。相比于主流的二步制备方法，一步热解制备方法虽然具有过程简单廉价、适用于均匀大面积BiVO4光阳极制备等优势，但是长期以来该方法制得的电极本征水氧化性能一直不理想，且具体原因不清。

　　本工作中，该团队揭示了一步热解法制备BiVO4光阳极中制约水氧化活性的关键因素，即钒元素具有比铋元素更快的流失动力学，导致产物中会包含极少量电荷传输能力差的四方相BiVO4，且在单斜相和四方相BiVO4间形成I型异质结构，进而抑制电荷传输分离效率和水氧化性能。进一步，团队通过系统优化前驱体含量和制备条件等，最终在1.23V vs. RHE和AM1.5光源照射下取得了4.2 mA/cm2的光电水氧化性能，且与广泛采用的二步法合成的BiVO4性能相当。此外，团队利用优化后的一步热解法，实现了25 cm2大面积BiVO4光阳极的可控制备和性能维持。以上研究成果为规模化高效钒酸铋光阳极制备和产业化应用奠定了基础。
　　我所太阳能研究部长期致力于BiVO4材料在光催化全分解水的应用基础研究，在发现单斜相BiVO4的{010}和{110}晶面间存在光生电荷分离效应（Nat. Commun.，2013）基础上，通过双助催化剂选择性沉积，提升了Redox离子驱动下的可见光催化放氧活性，进而与产氢光催化剂组装，构筑了系列高效的可见光催化全分解水制氢体系，从2015年至今，团队在粉末Z机制可见光催化全分解水制氢量子效率上连续取得突破，单波长420nm激发下制氢表观量子效率先后达到6.8%（Angew. Chem. Int. Ed.，2015）、10.3%（Joule，2018）、12.3%（Nat. Commun.，2022）。
　　相关研究以“Insight into the Key Restriction of BiVO4 Photoanodes Prepared by Pyrolysis Method for Scalable Preparation”为题，发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上，并被选为VIP（Very Important Paper）论文。该工作的共同第一作者是我所1621组毕业生杨能聪博士和博士研究生张赛楠。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院国际合作项目，大连市支持高层次人才创新创业等项目的支持。（文/图 杨能聪）
　　文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202308729
         文献来源：大连化物所
        章福祥,大连化物所研究员。1977年生于江西，2004年于南开大学化学学院获得物理化学博士学位，同年留校任教至2007年8月，2007年9月至2008年6月于巴黎第六大学做访问学者，2008年7月至2011年9月在东京大学做博士后和助理教授，2011年10月回国，现为大连化物所研究员、博导。获中科院“百人计划”择优项目、国家基金委优秀青年基金等资助。