提高高效光电化学水分解的性能

光电化学(PEC)水分解是一种有前途的可再生氢气生产绿色技术。为了构建实用的PEC系统，开发高效的光电阳极具有重要意义。BiVO4被认为是最有前途的光阳极材料，因为它具有窄带隙和有利于析氢和析氧的能带位置。然而，BiVO4作为光阳极存在载流子迁移率低(4×10-2cm2·V-1·s-1)和空穴扩散长度短(<100nm)的局限性，导致光电流密度(<1mA·cm-2在AM1.5G照明下，在1.23V与RHE中性介质中)。因此，有必要探索一系列方法来提高BiVO4的PEC性能。

已经提出并研究了在BiVO4和掺氟氧化锡(FTO)之间插入新层可以提高载流子分离效率。其中，BiVO4/WO3是经过验证的II型异质结。析氧助催化剂(OEC)层的表面和沉积可以增强水的氧化动力学。但大多数在FTO电极上的WO3阵列都表现出较小的阵列间隙(<60nm)，不利于尺寸大于80nm的BiVO4纳米颗粒的均匀负载。此外，BiVO4的上层涂覆在底部的WO3上层形成双层异质结，其在BiVO4颗粒的主体和边界中表现出小的接触面积和不可避免的电荷复合。

近日，由英国伦敦大学学院唐俊旺教授和中国西北大学姜海英领导的研究团队基于单层胶体晶体(MCCs)制备了WO3纳米碗阵列，构建了高度匹配的BiVO4/WO3。与BiVO4的异质结。在这种新颖的设计中，小尺寸的BiVO4纳米颗粒(<90nm)完美地沉积在WO3纳米碗的底层，内径为920nm。BiVO4的尺寸小于其空穴扩散长度(~100nm)，确保空穴有效地转移到其表面。同时，高度有序的单层WO3选择NB阵列以最大限度地减少晶界处的WO3缺陷，降低与FTO的界面电阻并增加与BiVO4纳米颗粒的接触面积。此外，高度匹配的BiVO4/WO3界面还可以增强BiVO4的电荷分离，这在PEC过程中起着重要作用。为了增强水的氧化动力学，作者在BiVO4/WO3NB异质结光阳极上进一步加载了OEC层，在一种阳光条件下，其产生的光电流和IPCE比原始BiVO4高约5倍。