Angew. Chem. ：氧缺陷VOx实现BiVO4光阳极非“钒”水分解性能

氢能的开发与利用是解决能源危机和实现我国“双碳”目标的重要保障。利用太阳能实现高效光电催化分解水制备氢气是当前最为环保绿色的理想技术之一。BiVO₄由于其成本低、无毒以及带隙合适的特点被认为是光电化催化分解水最有前途的光阳极之一。然而，由于BiVO₄光阳极表面析氧反应涉及四个电子的转移，析氧反应动力学十分缓慢，导致了严重的表面电荷复合，此外，在光电催化分解水过程中，BiVO₄光阳极容易受到严重的光腐蚀，导致其稳定性较差。

近日，西北工业大学黄维院士团队的王松灿教授和昆士兰大学的王连洲教授合作，采用光辅助电沉积法在BiVO₄光阳极上生长了富含氧空位的非晶态VO_x薄膜，显著提升其光电催化分解水性能。优化后的BiVO₄/VO_x光阳极在AM 1.5 G的模拟太阳光及1.23 V vs RHE偏压下其光电流密度可以达到6.29 mA cm^-2，电荷转移效率高达96%，并且表现出较高的光电催化分解水稳定性。

研究表明，非晶态的VOx析氧助催化层在BiVO₄光阳极的光电催化分解水发挥着重要作用。BiVO₄表面富含氧空位的VOx析氧助催化剂在V电子轨道上形成了大量未配对的电子，构成了低配位点，致使更多的水分子可以被吸附到活性位点上，显著提高了VOx/电解液界面的电荷传输性能，从而进一步提高了表面析氧反应的催化活性。此外，BVO和VOx之间共享的V-O键有效地促进了电荷转移。

同时，用密度泛函理论(DFT)计算并比较了BVO/V₂O₅和BVO/VOx在氧化还原过程中的反应势垒，非晶态的VOx层更有利于表面析氧反应的进行，具有更强的催化活性。

这项工作首次在BiVO₄光阳极表面负载了一种新型的VOx析氧助催化剂并揭示了其催化作用机制，为设计高效稳定的太阳能光电催化分解水体系提供了一种新策略。

论文信息

A BiVO₄ Photoanode with a VO_x Layer Bearing Oxygen Vacancies Offers Improved Charge Transfer and Oxygen Evolution Kinetics in Photoelectrochemical Water Splitting

Boyan Liu, Xin Wang, Yingjuan Zhang, Liangcheng Xu, Tingsheng Wang, Xiong Xiao, Prof. Songcan Wang, Prof. Lianzhou Wang, Prof. Wei Huang

文章的第一作者是西北工业大学柔性电子研究院的硕士研究生刘博言。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202217346