调控钒酸铋形貌与石墨相氮化碳复合提升光催化产氢性能研究

本研究针对传统光催化剂电子-空穴复合率高、可见光利用率低的问题，通过水热法制备非均匀形貌(NS-BV)、多面体(PD-BV)和纳米片(NF-BV)三种钒酸铋(BiVO4 )，与石墨相氮化碳(g-C3 N4 /GCN)构建异质结。NF-BV/GCN催化剂展现出86.62 μmol/g·h的产氢速率，其单斜晶系结构和氧空位缺陷有效促进电荷分离，为清洁能源开发提供新策略。

　　

在全球能源转型的背景下，氢能因其零碳排放特性被视为未来能源的重要选择。然而，当前约95%的氢能生产依赖化石燃料重整，过程中伴随大量CO₂
排放。光催化水分解技术能够直接将太阳能转化为氢能，但面临两大技术瓶颈：一是传统催化剂如TiO₂
的宽带隙（>3.2 eV）仅能利用紫外光；二是光生电子-空穴对的高复合率导致量子效率低下。针对这些挑战，研究人员将目光投向具有可见光响应的钒酸铋(BiVO₄
/BV)与石墨相氮化碳(g-C₃
N₄
/GCN)复合材料，但现有研究多集中于染料降解领域，对其产氢性能的探索仍不充分。

发表在《Materials Today Sustainability》的这项研究，通过精准调控BiVO₄
的晶体形貌，系统比较了非均匀结构(NS-BV)、多面体(PD-BV)和纳米片(NF-BV)三种形态与GCN复合后的光催化性能差异。研究团队采用水热法分别以Bi(NO₃
)₃
、Bi₂
O₃
和BiCl₃
为铋源合成不同形貌BV，通过煅烧法与GCN复合构建异质结。利用UV-Vis DRS、PL光谱和EPR等技术证实NF-BV/GCN具有最优的电荷分离效率，在300 W氙灯（带UV截止滤光片）照射下实现86.62 μmol/g·h的产氢速率，较纯GCN提升2.03倍。

材料合成与表征
通过XRD确认NS-BV和NF-BV为纯单斜相（JCPDS 01-074-4893），PD-BV则呈现单斜/四方混合相。TEM显示NF-BV具有0.467 nm的(011)晶面间距，其纳米片结构提供更大接触界面。BET测试表明所有复合催化剂均为介孔结构，NF-BV/GCN的比表面积增幅最小（43.7 nm孔径），但通过EPR证实其具有最高的氧空位浓度（g=2.003）。UV-Vis显示NF-BV带隙仅2.21 eV，显著低于PD-BV（2.28 eV）和NS-BV（2.46 eV）。

光电性能分析
PL光谱中NF-BV/GCN在473 nm处的发射强度最低，说明其电子-空穴复合率最低。莫特-肖特基测试测得GCN的导带/价带位置为-1.25/+1.53 eV，NF-BV为+0.44/+2.64 eV，二者形成II型异质结。光电流测试显示NF-BV/GCN的电流密度较GCN提升3倍，且稳定性最佳。清除剂实验证实超氧自由基(O₂
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)是主要活性物种，贡献率达77.4%。

产氢机制解析
NF-BV的优异性能源于三重协同效应：（1）单斜晶系中Bi6s→V3d的电子跃迁所需能量低于四方相的O2p→V3d跃迁；（2）纳米片结构增加与GCN的接触界面，加速空穴从GCN价带向NF-BV导带的迁移；（3）表面氧空位作为电子陷阱抑制复合。能带分析显示NF-BV与GCN的价带差（1.53 vs 2.64 eV）小于PD-BV（1.53 vs 2.68 eV），更利于Z型电荷转移。

这项研究通过形貌工程策略，首次系统揭示了BiVO₄
晶相结构与光催化产氢性能的构效关系。NF-BV/GCN催化剂在无需贵金属助催化剂的情况下实现高效产氢，为设计低成本、高稳定性光催化剂提供了新思路。未来研究可进一步优化BV/GCN界面化学键合方式，探索其在太阳能燃料合成中的扩展应用。