我所揭示一步熱解法制備釩酸鉍光陽極中制約水氧化性能的關鍵因素

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　　近日，我所太陽能研究部太陽能制儲氫材料與催化研究組（DNL1621組）章福祥研究員團隊在釩酸鉍（BiVO₄）光陽極水氧化研究方面取得新進展，揭示了一步熱解法制備釩酸鉍光陽極中制約水氧化性能的關鍵因素為釩元素的流失，以及四方相雜質的生成。

　　光電催化分解水是實現太陽能到綠氫轉化的一條理想途徑，其中高效光陽極的可控制備及易于放大是實現這一技術規模應用的關鍵一環。單斜相BiVO₄為一種兼顧寬范圍可見光利用和優良光電穩定性特點的“明星”材料，已被廣泛用于光陽極水氧化研究。相比于主流的二步制備方法，一步熱解制備方法雖然具有過程簡單廉價、適用于均勻大面積BiVO₄光陽極制備等優勢，但是長期以來該方法制得的電極本征水氧化性能一直不理想，且具體原因不清。

　　本工作中，該團隊揭示了一步熱解法制備BiVO₄光陽極中制約水氧化活性的關鍵因素，即釩元素具有比鉍元素更快的流失動力學，導致產物中會包含極少量電荷傳輸能力差的四方相BiVO₄，且在單斜相和四方相BiVO₄間形成I型異質結構，進而抑制電荷傳輸分離效率和水氧化性能。進一步，團隊通過系統優化前驅體含量和制備條件等，最終在1.23V vs. RHE和AM1.5光源照射下取得了4.2 mA/cm²的光電水氧化性能，且與廣泛采用的二步法合成的BiVO₄性能相當。此外，團隊利用優化后的一步熱解法，實現了25 cm²大面積BiVO₄光陽極的可控制備和性能維持。以上研究成果為規模化高效釩酸鉍光陽極制備和產業化應用奠定了基礎。

　　我所太陽能研究部長期致力于BiVO₄材料在光催化全分解水的應用基礎研究，在發現單斜相BiVO₄的{010}和{110}晶面間存在光生電荷分離效應（Nat. Commun.，2013）基礎上，通過雙助催化劑選擇性沉積，提升了Redox離子驅動下的可見光催化放氧活性，進而與產氫光催化劑組裝，構筑了系列高效的可見光催化全分解水制氫體系，從2015年至今，團隊在粉末Z機制可見光催化全分解水制氫量子效率上連續取得突破，單波長420nm激發下制氫表觀量子效率先后達到6.8%（Angew. Chem. Int. Ed.，2015）、10.3%（Joule，2018）、12.3%（Nat. Commun.，2022）。

　　相關研究以“Insight into the Key Restriction of BiVO₄ Photoanodes Prepared by Pyrolysis Method for Scalable Preparation”為題，發表在《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上，并被選為VIP（Very Important Paper）論文。該工作的共同第一作者是我所1621組畢業生楊能聰博士和博士研究生張賽楠。該工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院國際合作項目，大連市支持高層次人才創新創業等項目的支持。（文/圖 楊能聰）

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202308729