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上海硅酸鹽所等在BiVO4基光陽極材料應(yīng)用研究中取得進(jìn)展

作者:宋檢 時(shí)間:2022-12-08 來源:互聯(lián)網(wǎng)

太陽能光電化學(xué)(PEC)裂解水是將太陽能轉(zhuǎn)化為氫能的一種有效的方法。在眾多半導(dǎo)體光陽*中,BiVO4由于具有合適的導(dǎo)帶、價(jià)帶位置和禁帶寬度而成為優(yōu)異的光陽*材料。BiVO4的光吸收邊在515nm,在AM1.5太陽光下的理論*大光電流密度(Jmax)為7.5 mA cm-2。然而實(shí)際的光分解水電流密度(JH2O)遠(yuǎn)小于其理論值,這主要是因?yàn)锽iVO4在光PEC分解水的各個(gè)過程中存在能量損失。根據(jù)以往的報(bào)道,JH2O可以表示為JH2O = Jmax × ηabs × ηsep × ηtrans,其中ηabs是吸光效率,ηsep是電荷分離效率,ηtrans是表面空穴轉(zhuǎn)移效率。目前BiVO4光陽*的ηsep和ηtrans低下,且相對(duì)過寬的帶隙和不穩(wěn)定性進(jìn)一步限制了其光電轉(zhuǎn)換效率的提高和實(shí)際應(yīng)用。

 

近日,中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所與北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)合作,在BiVO4基光陽*的設(shè)計(jì)及其在光電催化裂解水的應(yīng)用研究中取得新進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)采用典型制備納米結(jié)構(gòu)BiVO4光陽*的方法,并以氫等離子體還原技術(shù)在室溫下制備了還原態(tài)的黑色納米結(jié)構(gòu)BiVO4光陽*。黑色納米結(jié)構(gòu)BiVO4光陽*不僅可以提高電荷傳輸和分離效率,而且大大拓展了其可見光的吸收譜域(帶隙縮小了0.3 eV),但該黑色納米結(jié)構(gòu)BiVO4光陽*表面催化效率并沒有得到顯著提高,且穩(wěn)定性不佳。另外,采用傳統(tǒng)的產(chǎn)氧催化劑(OEC)負(fù)載使得光陽*和催化劑之間的電荷復(fù)合非常嚴(yán)重。為此,該團(tuán)隊(duì)通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),采用ALD技術(shù)在納米結(jié)構(gòu)的BiVO4光陽*表面負(fù)載無定形的TiO2,再進(jìn)一步還原。EELS結(jié)果表明,這種負(fù)載TiO2的BiVO4在還原的過程中,自身同樣獲得了和黑色納米結(jié)構(gòu)BiVO4相同的還原程度,而無形的TiO2被還原成了無定形的TiO2-x。這種無定形TiO2-x包覆的還原態(tài)BiVO4 (b -BiVO4/TiO2-x)光陽*的電荷傳輸和分離特性與黑色納米結(jié)構(gòu)BiVO4光陽*的特性基本一致。*終的b -BiVO4/TiO2-x光陽*可以實(shí)現(xiàn)在低電壓下獲得比較高的電流密度(3.85 mA cm-2 at 0.6 VRHE),因此,該光陽*取得了2.5%的偏壓轉(zhuǎn)化效率(ABPE)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),無定形的TiO2-x不僅充當(dāng)了OEC催化劑的作用,而且還起到了穩(wěn)定還原態(tài)BiVO4光陽*的作用,從而實(shí)現(xiàn)了b -BiVO4/TiO2-x光陽*長久穩(wěn)定高效的水的裂解。相關(guān)研究成果以Novel black-BiVO4/TiO2-x Photoanode with Enhanced Photon Absorption and Charge Separation for Efficient and Stable Solar Water Splitting 為題發(fā)表于國際期刊《先進(jìn)能源材料》(Advanced Energy Materials 2019(DOI: 10.1002/aenm.201901287),上海硅酸鹽所博士田章留和復(fù)旦大學(xué)博士研究生張鵬飛為共同**作者,上海硅酸鹽所研究員黃富強(qiáng)和中科院院士、復(fù)旦大學(xué)教授趙東元為共同通訊作者。

 

上述研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中科院和上海市科委等的資助。

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