强金属-载体相互作用调控CoPi/Au/BiVO4 光阳极空穴提取与水氧化动力学研究

针对BiVO4 光阳极界面光生载流子传输缓慢及水氧化动力学不足的问题，研究人员通过构建CoPi/Au/BiVO4 -SMSI复合光阳极，利用强金属-载体相互作用（SMSI）促进空穴提取并提升CoPi电子密度，最终实现5.01 mA cm?2 的光电流密度和1.78%的ABPE效率，为光电解水催化剂设计提供了新思路。

　　

研究背景与意义

随着全球能源需求增长和环境问题加剧，光电化学（PEC）水分解技术因其可持续制氢潜力备受关注。钒酸铋（BiVO₄
）因其窄带隙（～2.4 eV）和低成本成为明星光阳极材料，但其光生载流子传输效率低、水氧化动力学缓慢等问题严重制约性能。传统钴磷酸盐（CoPi）助催化剂虽能提升BiVO₄
性能，但界面空穴传输迟滞和Co³⁺
积累导致的活性不足仍是瓶颈。

研究方法与技术路线

武汉理工大学团队在《Journal of Energy Chemistry》发表研究，通过电沉积和还原退火构建CoPi/Au/BiVO₄
-SMSI复合光阳极。采用X射线衍射（XRD）和电化学测试分析材料结构及性能，结合紫外光电子能谱（UPS）和密度泛函理论（DFT）计算揭示电子转移机制。

研究结果

1. 材料设计与表征
通过调控Au纳米颗粒（NPs）负载量（0.05-0.8 mM）和退火条件，成功构建SMSI界面。XRD证实材料晶型稳定，透射电镜显示Au NPs被BiVO₄
部分包裹（图S1），符合经典SMSI特征。

2. 电荷传输机制
UPS分析表明，SMSI诱导电子从BiVO₄
的V⁴⁺
向Au转移，形成电子富集态Au^δ?
，加速空穴向CoPi迁移。界面处Au^δ?
–O_v
–V⁴⁺
结构使电荷分离效率提升2.3倍。

3. 水氧化动力学优化
DFT计算显示SMSI使CoPi的d带中心上移0.5 eV，增强O*中间体吸附。电化学阻抗谱（EIS）证实水氧化能垒降低，Co³⁺
/Co²⁺
氧化还原电位负移120 mV。

结论与展望

该研究通过SMSI策略同步优化了CoPi/Au/BiVO₄
光阳极的体相电荷分离（ABPE 1.78%）与表面反应动力学（起始电位0.67 V_RHE
），为多相光催化剂设计提供了电子结构调控新范式。通讯作者Xueqin Liu指出，未来可拓展至NiFeO_x
等助催化剂体系，推动PEC技术实用化。