合理設計與組裝制備高性能雜化釩酸鉍基光陽極

尹雙鳳

湖南大學化學化工學院，化學生物傳感與計量學國家重點實驗室，長沙 410082

組裝均/多相催化劑顯著提高釩酸鉍的光電催化水氧化性能。

光電化學水分解是一種重要且頗具前景的太陽能轉換和利用的方式1。光電催化水分解系統模擬植物的Z型自然光合作用過程2。換而言之，光生空穴遷移到陽極表面以參與水氧化反應，而光生電子遷移到陰極表面以參與水還原反應。在光電陽極上發生的水分解產氧半反應包含了一個四電子-四質子的轉移過程，該過程通常被認為是水全分解反應的動力學瓶頸。近年來，作為光電陽極捕光材料的一些無機半導體如BiVO43、α-Fe2O34和WO35等被國內外研究者廣泛研究。

BiVO4是一種較為理想光陽極材料，無毒且Bi元素在地球上的儲量相對豐富。它是一種帶隙約為2.4 eV的n型半導體，具有充分的價帶位置進行水氧化反應，能夠獲得較好的太陽光利用率6。但是，目前報道的大部分基于BiVO4的光陽極，其光電流密度遠低于釩酸鉍材料的理論預期值(7.5 mA·cm-2)7。由于BiVO4受到光生電荷的快速復合和緩慢的表面水氧化動力學的限制，所以其光電催化水氧化性能難以達到理想狀態。另外，光電極的穩定性也是需要考慮的一個因素，釩酸鉍面臨較為嚴重的光腐蝕問題，工作穩定性較差8。

最近，針對以上問題，蘭州大學丁勇教授課題組在國際知名刊物Applied Catalysis B:Environmental上發表了一篇基于釩酸鉍光陽極的光電催化水氧化研究論文9。丁勇教授課題組設計并構建了一種基于釩酸鉍的均相-多相雜化光陽極材料，用一種單寧酸鐵催化劑包覆在釩酸鉍的表面，同時組裝含有雙甘膦配體的鈷分子催化劑。該雜化光電陽極在1.23 V (vsRHE)下的光電流密度達到了5.5 mA·cm-2，遠高于空白BiVO4的光電流密度(1.5 mA·cm-2)；而且光電極的催化穩定性也得到了顯著提升。通過光電效率和阻抗譜等一系列研究分析，作者認為單寧酸鐵催化劑有助于提高釩酸鉍電極的穩定性和促進光生空穴的輸運，而鈷基分子催化劑則有效提高了雜化電極的表面水氧化動力學。該研究工作結合均/多相材料構筑高效的雜化光陽極，為光電催化水分解研究提供了新的思路與方法。