光学透明有序介孔WO3薄膜的晶面定向生长及其在中性pH下高效稳定光催化水氧化性能研究

研究人员针对WO3光阳极在可见光驱动水氧化中存在的稳定性差、法拉第效率低（FEO2~70%）等问题，通过表面活性剂模板结合原位碳化技术，成功制备出具有高光学透明性、有序介孔结构和(002)晶面定向生长的WO3薄膜。该光阳极在中性条件下表现出49%的IPCE值和93%的FEO2，30小时稳定性测试后仍保持98%初始光电流，为太阳能水分解串联器件开发提供了新思路。

　　

随着全球碳排放问题日益严峻，开发清洁可再生能源成为当务之急。光电化学（PEC）水分解技术能将太阳能直接转化为氢能，其中光阳极材料的选择尤为关键。三氧化钨（WO₃）因其2.6 eV的适宜带隙、3.0 V（vs RHE）的价带位置以及150 nm的空穴扩散长度，被视为理想的光阳极候选材料。然而现有WO₃光阳极面临三大瓶颈：碱性条件下易溶解、中性/酸性条件下表面易发生光氧化副反应（生成过氧物种），以及光学透明度不足制约其在串联器件中的应用。更棘手的是，传统WO₃的法拉第效率（FE_O2）仅约70%，且稳定性测试中往往数小时内性能即衰减50%。

日本同志社大学（Doshisha University）的Debraj Chandra和Masayuki Yagi团队创新性地将表面活性剂模板策略与原位碳化技术相结合，成功在FTO导电玻璃上直接制备出具有高光学透明性的有序介孔WO₃薄膜。该材料具有124 m²g^-1的高比表面积、约10 nm的超薄孔壁结构，并实现了本征活性最高的(002)晶面定向生长。通过蒸发诱导自组装（EISA）工艺和精确控制的碳化过程，研究人员解决了传统模板法煅烧时介孔结构易坍塌的难题。

关键实验技术包括：1）采用Pluronic F127模板剂构建有序介孔结构；2）X射线荧光（XRF）表征元素分布；3）光电化学测试系统评估IPCE和FE_O2；4）瞬态吸收光谱测定水氧化速率常数（k_O2）；5）钴氧化物（CoO_x）助催化剂的原位沉积。

【材料制备与表征】
通过氢键作用稳定的钨酸前驱体溶液，在F127模板导向下形成高度有序的介孔结构。XRF证实薄膜中钨元素均匀分布，HRTEM显示(002)晶面间距为0.38 nm，XRD衍射峰强度比I₀₀₂/I₂₀₀达3.2，表明显著的晶面取向生长。

【光电化学性能】
在420 nm光照和1.23 V vs RHE条件下，介孔WO₃在中性电解液中的IPCE值达41%，是传统WO₃的3倍。瞬态动力学分析显示其水氧化速率常数k_O2提升至3.2×10² s^-1，归因于超薄孔壁缩短空穴迁移路径。

【稳定性机制】
负载CoO_x助催化剂后，k_O2进一步提升至5.7×10² s^-1。30小时连续光照测试中，光电流仅衰减2%（初始值1.54 mA cm^-2），FE_O2稳定在93%，突破性地解决了WO₃在中性条件下的稳定性难题。

这项发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》的研究首次实现了三大突破：1）通过晶面工程与介孔结构的协同效应，将中性条件下WO₃的FE_O2从70%提升至93%；2）创纪录的30小时稳定性表现；3）86%的可见光透过率使其成为串联PEC器件的理想前端吸光层。该工作为设计高效稳定的透明光阳极提供了新范式，对推动太阳能水分解技术的实际应用具有里程碑意义。