高性能WO3/BiVO4光阳极的自动化浸渍涂层策略及其在光电催化水分解与染料降解中的应用

本研究针对光电催化(PEC)系统中电极性能不足和制备工艺不可控的难题，开发了一种自动化浸渍涂层技术，成功制备出FTO/WO3/BiVO4复合光阳极。该光阳极在1.5 V可见光下10分钟内实现312 mg/L Ponceau 4R的100%降解，电荷分离效率达100%，TOF值为3.44×10?2 s?1，为可持续氢能生产和废水处理提供了可规模化解决方案。

　　

随着全球能源危机和环境问题日益严峻，光电催化(PEC)技术因其能同时实现氢能生产和废水处理的双重功能而备受关注。然而，该技术的核心瓶颈在于光阳极材料性能不足——传统制备方法存在重复性差、电荷复合率高、光吸收有限等问题。以BiVO₄为例，虽然其具有优异的可见光响应能力，但载流子复合严重制约了PEC效率；而WO₃虽能通过异质结抑制复合，但传统制备工艺难以精确控制薄膜形貌。更关键的是，现有文献对PEC过程中活性物种(如羟基自由基和活性氯)的生成机制缺乏系统研究。

针对这些挑战，泰国Rajamangala科技大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表论文，提出了一种革命性的自动化浸渍涂层技术。通过精确调控浸渍速度、煅烧条件等参数，成功制备出具有超高性能的FTO/WO₃/BiVO₄光阳极。研究发现，该光阳极不仅实现了100%的电荷分离效率和92.9%的光捕获效率，更在降解Ponceau 4R染料时展现出76.79%的法拉第效率，且HPLC检测证实污染物被完全矿化。机理研究首次阐明羟基自由基和活性氯物种在快速降解中的协同作用机制。

关键技术方法包括：采用自动化浸渍涂层系统精确控制WO₃和BiVO₄前驱体的沉积参数；通过线性扫描伏安法(LSV)和电化学阻抗谱(EIS)评估PEC性能；利用高效液相色谱(HPLC)分析降解产物；结合电子自旋共振(ESR)技术鉴定活性自由基物种。

【Preparation and optimization of WO₃/BiVO₄ photoanode fabrication】
研究团队通过优化前驱体浓度(0.1 M WO₃和0.05 M BiVO₄)和煅烧程序，发现60°C回流1小时可形成均匀的WO₃溶胶，而BiVO₄的最佳退火温度为450°C。XRD分析证实该条件可获得高结晶度的单斜相BiVO₄。

【Optimizing dip-coating process】
当浸渍速度控制在2 mm/s、提拉速度1 mm/s时，光电流密度达到3.12 mA/cm²，是传统旋涂法的2.3倍。电化学测试显示电荷转移电阻(R_ct)降低至28 Ω·cm²，证实异质结有效促进了载流子分离。

【Conclusions】
这项研究突破了传统光阳极制备的三大技术壁垒：通过自动化控制实现仅1.52%的批次差异(RSD)；利用WO₃/BiVO₄能带匹配将电荷分离效率提升至理论极限；首次证实活性氯物种在快速降解中的关键作用。该工作为PEC技术的工业化应用提供了两套标准化方案——既可用于分布式氢能生产，也可处理高浓度有机废水，其3.44×10^?2 s^?1的TOF值创造了同类光阳极的新纪录。特别值得注意的是，研究揭示的"羟基自由基-活性氯"协同作用机制，为设计新型PEC系统提供了重要理论依据。