自组装分子桥偶极强度调控BiVO4光阳极电荷传输与太阳能制氢

《Nature Communications》：Steering directional charge migration via ordered self-assembled molecular layers for efficient BiVO4-silicon artificial leaf

　　

摘要

BiVO₄-硅人工叶片是一种极具潜力的无偏见光电化学水分解装置候选材料，但其效率受到BiVO₄光阳极中电荷传输缓慢的限制。在这里，我们提出了一种自组装的分子桥策略，以建立有序且快速的电荷传输路径，从而实现BiVO₄与NiFeCo层状双氢氧化物（NiFeCo-LDH）氧化还原催化剂之间的高效能量传递。为了明确偶极强度的作用，我们比较了两种具有不同偶极矩的自组装单层材料：[4-(9H-carbazol-9-yl)ethyl]phosphonic acid（4PACZ，约1.83 Debye）和[4-(7H-dibenzo[c,g]carbazol-7-yl)butyl]phosphonic acid（4PADCB，约2.54 Debye）。4PADCB较大的偶极矩产生了更强的界面电场，这促进了载流子的定向提取并抑制了复合现象。因此，经过优化的BiVO₄/4PADCB/NiFeCo-LDH光阳极在1.23 V电压下实现了6.35 mA cm^–2的光电流密度，其性能可与其它采用有机界面层的BiVO₄基系统相媲美。此外，通过将该光阳极与硅太阳能电池集成，构建了一个独立的人工叶片（面积为1.5平方厘米），实现了8.75%的太阳能到氢气的转换效率，并且能够稳定运行超过60小时。这项工作明确了分子偶极强度与界面电荷分离之间的关键联系，为光电化学水分解中的分子界面工程设计提供了一种通用原理。