自动化水相沉积法制备BiVO4-FePO4光阳极实现稳定水分解

本文创新性地开发了"Autodrop"自动化水相沉积技术，通过改进连续离子层吸附反应（SILAR）工艺制备BiVO4-FePO4异质结光阳极。非晶态FePO4层兼具钝化层与助催化剂双重功能，使光电流提升50%，在1.23 V vs RHE条件下连续工作2小时仍保持80%初始活性，为规模化制备高性能光电化学（PEC）器件提供了新范式。

　　

研究背景

太阳能驱动的光电化学（PEC）水分解技术是解决能源存储问题的关键途径，其中阳极氧析出反应（OER）是制约效率的核心瓶颈。钒酸铋（BiVO₄）因其2.4-2.6 eV的适宜带隙和7.5 mA cm^-2的理论光电流密度成为研究热点，但其70 nm的空穴扩散长度和40 ns的载流子寿命严重限制了性能。

技术创新

研究团队开发的"Autodrop"技术将连续离子层吸附反应（SILAR）与旋转涂布相结合，通过双注射泵实现前驱体溶液的精准控制输送。该技术可在环境条件下制备厚度可控的BiVO₄薄膜，结晶尺寸随沉积体积增加从15 nm增至18 nm。XRD分析显示，当沉积速率低于25 μL min^-1时会生成Bi₂O₃/V₂O₅杂相，而优化参数（200 μL min^-1，40 rps）可获得纯单斜相BiVO₄。

性能优化

SEM表征显示薄膜呈多孔纳米结构，厚度从0.5 mL时的300 nm增至3.0 mL时的1.7 μm。紫外可见光谱表明带隙随沉积体积增加从2.7 eV降至2.52 eV。光电测试中，最佳样品在1.23 V vs RHE下获得0.95 mA cm^-2光电流，是传统spin-SILAR方法的2倍。电化学活性面积（ECSA）分析证实，双电层电容（C_dl）与沉积速率呈正相关。

异质结构建

通过相同工艺沉积的非晶态FePO₄层（Fe/P原子比54.6:45.4）使光电流提升至1.2 mA cm^-2。XPS证实Fe(III)和磷酸根的存在，O 1s谱中529.8 eV特征峰对应BiVO₄晶格氧。电化学阻抗谱（EIS）显示电荷转移电阻（R_ct）从617 Ω降至311 Ω，莫特-肖特基测试表明平带电位正移0.1 V，供体密度提升至1.1×10¹⁹ cm^-3。

机制解析

FePO₄通过双重作用提升性能：①Fe(III)/Fe(IV)氧化还原介导空穴转移，形成Fe(IV)=O活性中间体促进OER；②磷酸根基团稳定界面并改善电荷传输。IPCE测试在425 nm处达到20%的效率，连续工作2小时后仍保持80%活性，显著优于未修饰样品（20分钟衰减50%）。

应用前景

这项研究不仅证实了Autodrop技术在制备复杂异质结光电极方面的优势，更为规模化生产PEC器件提供了新思路。该工艺采用水相前驱体、环境条件操作，且沉积时间较传统方法缩短80%，展现出显著的工业化应用潜力。