黄维/王松灿ACS Catalysis:引入Co3O4层,加速BiVO4和OEC界面空穴提取以增强光电化学水分解

黄维/王松灿ACS Catalysis:引入Co3O4层,加速BiVO4和OEC界面空穴提取以增强光电化学水分解

光电化学(PEC)水分解技术在太阳能转化为化学燃料方面引起了人们的广泛关注,同时高效光电极材料的开发对于提高太阳能-氢转化效率至关重要。

由于钒酸铋(BiVO4)具有较窄的能带(2.4-2.5 eV)和较深的价带边缘,可以在可见光照射下实现水分解。但是,BiVO4光阳极由于电荷传输特性差和空穴扩散长度短(< 70 nm),存在严重的电荷复合和水氧化动力学缓慢等问题。

基于此,西北工业大学黄维王松灿等通过在NiOOH析氧助催化剂(OEC)和BiVO4之间插入超薄的Co3O4层(10 nm)来构建NiOOH/Co3O4/BiVO4光阳极,以提高PEC性能。

黄维/王松灿ACS Catalysis:引入Co3O4层,加速BiVO4和OEC界面空穴提取以增强光电化学水分解

黄维/王松灿ACS Catalysis:引入Co3O4层,加速BiVO4和OEC界面空穴提取以增强光电化学水分解

光电化学性能测试结果显示,所制备的NiOOH/Co3O4/BiVO4光阳极在AM 1.5 G辐照和1.23 VRHE下,光电流密度达到6.4 mA cm−2;在0.8 V下光电流密度也达到了5.16 mA cm−2

此外,NiOOH/Co3O4/BiVO4光阳极还具有优异的稳定性,其在AM 1.5 G辐照和1.23 VRHE下连续工作33小时,光电流密度稍微上升(可能是由于Co3O4的光热效应促进了载流子的输运),并且工作40小时后性能略微下降,连续工作90小时后仍能保持约5.6 mA cm−2的光电流密度。并且,稳定性测试后样品的组分和形貌未发生明显变化。

黄维/王松灿ACS Catalysis:引入Co3O4层,加速BiVO4和OEC界面空穴提取以增强光电化学水分解

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实验结果和理论计算表明,在NiOOH和BiVO4之间引入Co3O4导致NiOOH/Co3O4/BiVO4上形成了较强的内部电场,这可以促进光生空穴快速转移到OEC层用于OER,并有效抑制了光生电荷的复合。同时,引入Co3O4后,NiOOH/Co3O4/BiVO4光阳极上的OER决速步的能垒降低,加速了PEC水分解的动力学。

此外,该策略也同样适用于另外两种典型的OEC材料MnOx和FeOOH,所制得的MnOx/Co3O4/BiVO4和FeOOH/Co3O4/BiVO4光阳极表现出高的光电流密度,证明了Co3O4在改善OEC/BiVO4光阳极的PEC水氧化性能方面的通用作用。

Engineering BiVO4 and Oxygen Evolution Cocatalyst Interfaces with Rapid Hole Extraction for Photoelectrochemical Water Splitting. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c00444

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