合理設(shè)計(jì)與組裝制備高性能雜化釩酸鉍基光陽極

尹雙鳳

湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)生物傳感與計(jì)量學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)水分解是一種重要且頗具前景的太陽能轉(zhuǎn)換和利用的方式1。光電催化水分解系統(tǒng)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(yīng)，而光生電子遷移到陰極表面以參與水還原反應(yīng)。在光電陽極上發(fā)生的水分解產(chǎn)氧半反應(yīng)包含了一個(gè)四電子-四質(zhì)子的轉(zhuǎn)移過程，該過程通常被認(rèn)為是水全分解反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)瓶頸。近年來，作為光電陽極捕光材料的一些無機(jī)半導(dǎo)體如BiVO43、α-Fe2O34和WO35等被國內(nèi)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(chǔ)量相對(duì)豐富。它是一種帶隙約為2.4 eV的n型半導(dǎo)體，具有充分的價(jià)帶位置進(jìn)行水氧化反應(yīng)，能夠獲得較好的太陽光利用率6。但是，目前報(bào)道的大部分基于BiVO4的光陽極，其光電流密度遠(yuǎn)低于釩酸鉍材料的理論預(yù)期值(7.5 mA·cm-2)7。由于BiVO4受到光生電荷的快速復(fù)合和緩慢的表面水氧化動(dòng)力學(xué)的限制，所以其光電催化水氧化性能難以達(dá)到理想狀態(tài)。另外，光電極的穩(wěn)定性也是需要考慮的一個(gè)因素，釩酸鉍面臨較為嚴(yán)重的光腐蝕問題，工作穩(wěn)定性較差8。

最近，針對(duì)以上問題，蘭州大學(xué)丁勇教授課題組在國際知名刊物Applied Catalysis B:Environmental上發(fā)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(shè)計(jì)并構(gòu)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(shí)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(dá)到了5.5 mA·cm-2，遠(yuǎn)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(wěn)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(rèn)為單寧酸鐵催化劑有助于提高釩酸鉍電極的穩(wěn)定性和促進(jìn)光生空穴的輸運(yùn)，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(dòng)力學(xué)。該研究工作結(jié)合均/多相材料構(gòu)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。