磁控溅射沉积FeMnOx双金属助催化剂优化Zn掺杂BiVO4的光催化水氧化性能

本研究针对BiVO4光催化剂因载流子复合快、空穴扩散长度短导致的水氧化效率低问题，通过Zn掺杂调控BiVO4能带结构并引入氧空位，结合磁控溅射技术负载FeMnOx双金属助催化剂，构建p-n结促进电荷分离。实验表明，Zn掺杂使O2产量提升至135 μmol（纯BiVO4为90 μmol），FeMnOx负载后进一步增至154 μmol，为设计高效太阳能转化系统提供了新策略。

　　

在能源危机与环境污染的双重压力下，利用太阳能分解水制氢被视为绿色能源生产的理想途径。然而，开发高效稳定的光催化剂仍是巨大挑战。钒酸铋（BiVO₄）因其2.4-2.5 eV的窄带隙、高抗腐蚀性和无毒特性成为研究热点，但其快速电子-空穴复合和低载流子迁移率严重制约了性能。传统改性方法如助催化剂负载、异质结构建等虽有一定效果，但如何协同调控体相与表面性质仍是未解难题。

针对这一挑战，由FAPESP等机构资助的研究团队在《Applied Catalysis A: General》发表论文，提出通过Zn掺杂与FeMnO_x双金属助催化剂负载的协同策略。研究采用水热法合成Zn掺杂BiVO₄，利用射频磁控溅射（RF-magnetron sputtering）沉积FeMnO_x，通过X射线衍射（XRD）、电子顺磁共振（EPR）等技术系统分析了材料的结构与性能。

Synthesis of Pure and Zn-doped BiVO₄
通过水热法控制Zn掺杂浓度，发现Zn²⁺取代Bi³⁺后诱导晶格畸变，促进（040）晶面生长并延长V-O键长，EPR证实氧空位浓度增加。

Result and Discussion
XRD显示Zn掺杂未改变单斜白钨矿结构（JCPDS 14-0688），但2θ≈18.7°、28.8°峰强变化表明结晶度提高。紫外可见光谱显示Zn掺杂使吸收边红移，带隙从2.5 eV降至2.3 eV。光电化学测试证实Zn掺杂BiVO₄的O₂产量达135 μmol/h，较纯相提升50%。

Conclusion
FeMnO_x/Zn-BiVO₄的p-n结内建电场促进电荷分离，使O₂产量进一步提升至154 μmol/h。该工作为多尺度调控光催化剂性能提供了范例，其磁控溅射技术可推广至其他半导体-助催化剂体系。

这项研究的创新性在于：首次将Zn掺杂的体相调控与FeMnO_x表面修饰相结合，通过EPR等表征明确了氧空位的作用机制；磁控溅射技术实现了助催化剂的均匀负载，避免了传统湿化学法的团聚问题。其成果对开发高效太阳能燃料生产系统具有重要指导意义。