高匹配的BiVO4/WO3纳米碗异质结光阳极用于高效光电化学分解水(英文)

作者：张纹; 田梦; 焦海淼; 蒋海英^*; 唐军旺^*

来源：Chinese Journal of Catalysis, 2022, 43(09): 2321-2331.

• 光电化学分解水
• WO3纳米碗
• BiVO4
• 电荷分离
• NiOOH/FeOOH

光电化学(PEC)分解水制氢,已成为将太阳能转化为绿色可持续氢能极具潜力的途径之一.目前,单斜相钒酸铋(BiVO4)因其合适的带隙及能带位置、无毒且含量丰富等优点,被认为是理想的光阳极材料.然而, BiVO4较低的载流子迁移率(4×10-2 cm2V-1s-1和较短的空穴扩散长度(<100 nm),导致BiVO4光阳极电子-空穴复合较严重,极大地限制了其性能.为克服上述缺陷,除减小BiVO4纳米颗粒的粒径以匹配其较短的空穴扩散长度,使空穴能有效转移到其表面参与水氧化反应;或在其表面沉积一层薄的氧气释放反应助催化剂(OEC)层以增强水氧化反应动力学以外,还应关注如何进一步有效提升BiVO4电荷分离效率.因此,在BiVO4和氟掺杂的氧化锡(FTO)电极界面之间插入另一种半导体材料构筑异质结以促进BiVO4电荷分离,进一步提升BiVO4电荷分离效率.本文采用成本低廉、可控性高的单层胶体晶体(MCC)方法首先合成了单层WO3纳米碗(WO3NB)阵列,再通过分步沉积法在单层WO3NB表面原位生长BiOI,确保BiOI在WO3NB表面的完全覆盖,最后通过热处理将BiOI转化为BiVO4纳米颗粒成功构建高匹配的BiVO4/WO3NB异质结.在这种新颖的结构设计中,小尺寸的BiVO4纳米颗粒(～90 nm)均匀地沉积在WO3纳米碗(内径约为920 nm)表面.高度有序的WO3NB阵列担载了BiVO4的小尺寸和纳米结构,最小化了WO3颗粒间的晶界缺陷,并增加了与BiVO4纳米粒子的接触面积.结合X射线粉末衍射、X射线光电子能谱、高分辨透射电子显微镜和能带分析发现, BiVO4与WO3NB匹配的能带位置和高度匹配的BiVO4/WO3NB界面可显著增强BiVO4与WO3NB之间的电荷传输;此外,光致发光光谱和电化学阻抗测试结果表明,由于制备的BiVO4纳米颗粒尺寸小于其空穴扩散长度(～100 nm),可确保空穴更有效的传递到Ni OOH/FeOOH层中并参与表面水氧化反应;在OEC/BiVO4和BiVO4/WO3NB两种结的协同作用下制备的NiOOH/Fe OOH/BiVO4/WO3NB光阳极在中性电解质溶液Na2SO4溶液中, 1.23 Vvs.RHE偏压下的光电流密度为3.02 mA cm-2,法拉第效率达95%.本文研究结果为设计与构筑高匹配多重“结”BiVO4光阳极提供了有效策略.