M-O-M键介导的三维拓扑结构材料实现跨尺度光电化学动力学加速

研究人员针对BiVO4光阳极在氧析出反应(OER)中电荷分离效率低、表面催化活性不足等问题，通过M-O-M键耦合SrCoO3-δ钙钛矿单晶量子点(PSC QDs)，构建三维多孔拓扑网络结构。实验与理论计算证实该结构通过能带调控和界面电场促进电荷分离，使光电流密度提升至5.05 mA cm-2@1.23 V vs. RHE，为高效太阳能水分解系统设计提供新思路。

　　

太阳能驱动光电化学（PEC）水分解制氢技术被视为实现碳中和的关键路径，其中光阳极材料性能直接决定能量转换效率。钒酸铋（BiVO₄）虽具备2.4 eV的理想带隙和优异可见光吸收能力，却受限于体相/表面电荷复合严重、空穴传输动力学缓慢等瓶颈，其实际光电流密度远低于理论值。更棘手的是，界面电荷转移路径的微观机制与催化活性位点的动态演变规律尚未明晰，成为制约该领域发展的"黑箱"。

福建师范大学的研究团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表创新成果，通过M-O-M化学键桥接策略，将锶钴氧（SrCoO_3-δ）钙钛矿单晶量子点精准耦合至BiVO₄表面，构建出具有三维多孔拓扑网络的新型光阳极材料。研究采用时间分辨荧光光谱（TRPL）、原位电化学阻抗（EIS）等动态表征技术，结合密度泛函理论（DFT）计算，系统解析了从皮秒级电荷分离到秒级水氧化的全时空尺度动力学过程。

材料结构与性能调控
通过搅拌浸渍-热处理方法制备的BiVO₄/SrCoO_3-δ异质结构展现出独特的三维连通孔道。X射线吸收精细结构（XAFS）证实界面处形成的Bi-O-Co/V-O-Co键合网络，使电荷转移速率提升3个数量级。

电子结构重构机制
DFT计算揭示SrCoO_3-δ的引入使BiVO₄中Bi/V位点电子密度显著增加，而界面电场驱动空穴定向迁移至钴活性位点。钴离子的双交换相互作用（Co³⁺-O^2--Co⁴⁺）不仅增强材料导电性，更将速率决定步骤（*O→*OOH）能垒降低0.38 eV。

跨尺度动力学验证
飞秒瞬态吸收光谱（TA）显示复合光阳极的载流子寿命延长至12.8 ns，同步辐射X射线光电子能谱（SRPES）实时捕获到光照下Co⁴⁺浓度提升现象，证实了空穴在钴位点的动态富集过程。

该研究首次建立了M-O-M键介导的跨尺度电荷传输模型，为设计高效太阳能转化系统提供了"界面键合-电子重构-动力学优化"的全链条解决方案。所开发的量子点耦合策略可拓展至其他金属氧化物光电极体系，对发展低成本、高性能的绿氢制备技术具有重要指导意义。