大连化物所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，中国科学院大连化学物理研究所太阳能研究部太阳能制储氢材料与催化研究组研究员章福祥团队在钒酸铋（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理想途径之一。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是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，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，该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，与广泛采用的二步法合成的BiVO₄性能相当。此外，该研究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。上述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。

大连化物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；2015年至今，该团队在粉末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%、10.3%、12.3%。

相关研究成果以Insight into the Key Restriction of BiVO₄Photoanodes Prepared by Pyrolysis Method for Scalable Preparation为题，发表在《德国应用化学》上，并被选为VIP论文。研究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的支持。

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