【DFT+实验】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，西北工业大学黄维和王松灿等通过在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。

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 V_RHE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 V_RHE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。

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MnO_x和FeOOH，所制得的MnO_x/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.