合理设计与组装制备高性能杂化钒酸铋基光阳极

尹双凤

湖南大学化学化工学院，化学生物传感与计量学国家重点实验室，长沙 410082

组装均/多相催化剂显著提高钒酸铋的光电催化水氧化性能。

光电化学水分解是一种重要且颇具前景的太阳能转换和利用的方式1。光电催化水分解系统模拟植物的Z型自然光合作用过程2。换而言之，光生空穴迁移到阳极表面以参与水氧化反应，而光生电子迁移到阴极表面以参与水还原反应。在光电阳极上发生的水分解产氧半反应包含了一个四电子-四质子的转移过程，该过程通常被认为是水全分解反应的动力学瓶颈。近年来，作为光电阳极捕光材料的一些无机半导体如BiVO43、α-Fe2O34和WO35等被国内外研究者广泛研究。

BiVO4是一种较为理想光阳极材料，无毒且Bi元素在地球上的储量相对丰富。它是一种带隙约为2.4 eV的n型半导体，具有充分的价带位置进行水氧化反应，能够获得较好的太阳光利用率6。但是，目前报道的大部分基于BiVO4的光阳极，其光电流密度远低于钒酸铋材料的理论预期值(7.5 mA·cm-2)7。由于BiVO4受到光生电荷的快速复合和缓慢的表面水氧化动力学的限制，所以其光电催化水氧化性能难以达到理想状态。另外，光电极的稳定性也是需要考虑的一个因素，钒酸铋面临较为严重的光腐蚀问题，工作稳定性较差8。

最近，针对以上问题，兰州大学丁勇教授课题组在国际知名刊物Applied Catalysis B:Environmental上发表了一篇基于钒酸铋光阳极的光电催化水氧化研究论文9。丁勇教授课题组设计并构建了一种基于钒酸铋的均相-多相杂化光阳极材料，用一种单宁酸铁催化剂包覆在钒酸铋的表面，同时组装含有双甘膦配体的钴分子催化剂。该杂化光电阳极在1.23 V (vsRHE)下的光电流密度达到了5.5 mA·cm-2，远高于空白BiVO4的光电流密度(1.5 mA·cm-2)；而且光电极的催化稳定性也得到了显著提升。通过光电效率和阻抗谱等一系列研究分析，作者认为单宁酸铁催化剂有助于提高钒酸铋电极的稳定性和促进光生空穴的输运，而钴基分子催化剂则有效提高了杂化电极的表面水氧化动力学。该研究工作结合均/多相材料构筑高效的杂化光阳极，为光电催化水分解研究提供了新的思路与方法。