原子尺度调控 BiVO4氧空位，解锁高效稳定太阳能水分解新路径

为解决 BiVO4光阳极在太阳能水分解中电荷传输效率低、易光腐蚀等问题，研究人员开展了通过调控 BiVO4表面和体相氧空位（VO）来优化光阳极性能的研究。结果表明，优化后的 SCR-BiVO4/TiO2/CoPi 光阳极性能显著提升，该研究为光电极设计提供了新策略。

　　在能源需求日益增长的当下，寻找可持续的清洁能源成为全球科研的热门焦点。太阳能水分解制氢技术，凭借其将太阳能转化为化学能的独特优势，有望成为解决能源危机的 “金钥匙”。在众多参与这场 “能源变革” 的材料中，BiVO₄作为一种极具潜力的氧化物半导体，备受瞩目。它成本低廉、易于制备，还能有效吸收可见光，理论上在太阳能水分解领域能大放异彩。

然而，理想很丰满，现实却很骨感。BiVO₄在实际应用中困难重重。其少数载流子扩散长度短，电荷迁移率低，就像高速公路上车辆行驶缓慢，严重阻碍了电荷传输效率。而且，光腐蚀问题犹如一颗 “定时炸弹”，时刻威胁着材料的稳定性，使得其实际光电流密度远低于理论值，大大限制了它在太阳能水分解中的应用。面对这些难题，科研人员深知，若想让 BiVO₄真正发挥潜力，必须对其进行深度改造。

在此背景下，来自未知研究机构的研究人员勇敢地迎接挑战，开启了一场探索之旅。他们聚焦于 BiVO₄中的氧空位（V_O），试图通过精准调控它来攻克 BiVO₄面临的困境。经过一系列艰苦的研究，他们取得了令人振奋的成果。研究表明，通过表面化学还原反应（SCR）在 BiVO₄表面引入大量 V_O，能有效增强电荷动力学，同时抑制体相中的 V_O，减少电荷复合。并且，利用原子层沉积（ALD）技术在优化后的 BiVO₄表面制备超薄 TiO₂保护层，并搭配 CoPi 作为析氧催化剂（OEC），最终得到的 SCR-BiVO₄/TiO₂/CoPi 光阳极性能卓越，在 1.23 V_RHE下展现出高达 3.9 mA cm^?2的稳定光电流密度，且能持续保持 50 h 的光稳定性。这一成果发表在《Applied Surface Science Advances》上，为太阳能水分解领域带来了新的曙光，为高效光电极的设计提供了创新思路和可行方案，推动了清洁能源技术的发展。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。通过 X 射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman spectroscopy）、X 射线光电子能谱（XPS）等手段对 BiVO₄光电极的晶体结构、表面化学状态进行深入分析。利用扫描电子显微镜（SEM）观察光电极的形貌变化。采用电化学阻抗谱（EIS）、莫特 - 肖特基分析（Mott-Schottky analysis）等电化学测试技术，研究光电极的电荷传输特性。

下面我们来详细看看研究结果：

• 光阳极 BiVO₄制备和光电化学表征：通过典型的溶胶 - 凝胶法在氟掺杂的 SnO₂（FTO）玻璃基板上制备了 BiVO₄薄膜。研究发现，单层 BiVO₄光阳极的光电流较低，且容易发生光腐蚀。添加 TiO₂保护层后，虽然能在一定程度上提高稳定性，但会降低光电流。这表明 BiVO₄的性能优化需要在表面和体相之间找到平衡。
• 通过 SCR 控制 BiVO₄表面的氧空位：研究人员采用 SCR 方法在 BiVO₄表面引入 V_O。实验结果显示，SCR 处理 30 s 时效果最佳，此时表面形成了高密度的 V_O，同时对体相 V_O影响较小。多种测试手段，如 XPS、拉曼光谱、光致发光光谱（PL）等，都证实了 V_O的形成，并且发现 SCR 处理能增强电荷分离和传输。
• 受控 SCR-BiVO₄的光电化学电荷行为：EIS 和 Mott-Schottky 分析表明，SCR 处理后的 BiVO₄电极，其界面电阻降低，施主密度增加，电荷传输效率提高。这意味着通过控制 V_O，可以有效调整 BiVO₄的电荷行为，为后续的性能提升奠定基础。
• 利用 V_O控制的 BiVO₄表面作为与保护层的功能界面：研究发现，BiVO₄表面 V_O的增强能提高表面润湿性，有利于 ALD 过程中 TiO₂的生长。优化后的 SCR-BiVO₄/TiO₂光阳极，其光电流密度显著提高，电荷传输效率增强，证明了 V_O控制对改善光阳极性能的重要作用。
• SCR-BiVO₄/TiO₂/CoPi 光阳极用于析氧反应的 PEC 性能和效率：在 BiVO₄/TiO₂光阳极上沉积 CoPi 作为 OEC 后，光阳极的析氧反应性能大幅提升。IMPS 和 IMVS 测试表明，SCR-BiVO₄/TiO₂/CoPi 光阳极的电荷传输效率高达 97.1%，光电流密度显著增加，起始电位降低，并且在 50 h 的测试中保持了良好的稳定性。

研究结论和讨论部分指出，该研究通过原子尺度调控 BiVO₄中的 V_O，有效改善了 BiVO₄的固有电荷动力学、光腐蚀和 PEC 性能。这种策略不仅为 BiVO₄光阳极的优化提供了新方法，还为其他需要氧化物基覆盖层的光电极设计提供了通用思路。它让我们看到了通过精准调控原子和空位来提升材料性能的巨大潜力，为太阳能水分解技术的进一步发展提供了有力支撑，有望推动清洁能源领域的重大突破。