近日，我组在钒酸铋（BiVO4）光阳极水氧化方面取得新进展，首次揭示：利用一步热解法制备钒酸铋光阳极中制约水氧化性能的关键因素在于钒元素的流失以及四方相杂质的生成。
光电催化分解水是实现太阳能到绿氢转化的一条理想途径，其中高效光阳极的可控制备及易于放大是实现这一技术规模应用的关键一环。单斜相BiVO4为一种兼顾宽范围可见光利用和优良光电稳定性特点的明星材料，已被广泛用于光阳极水氧化研究。相比于主流的二步制备方法，一步热解制备方法虽然具有过程简单廉价、适用于均匀大面积BiVO4光阳极制备等优势，但是长期以来该方法制得的电极本征水氧化性能一直不理想，具体原因不清。
本工作中，团队首次揭示了一步热解法制备BiVO4光阳极中制约水氧化活性的关键因素在于：钒元素具有比铋元素更快的流失动力学，导致产物中会包含极少量电荷传输能力差的四方相BiVO4，且在单斜相和四方相BiVO4间形成I型异质结构，进而抑制电荷传输分离效率和水氧化性能。为此，团队通过系统优化前驱体含量和制备条件等，最终在1.23 V vs. RHE和AM1.5光源照射下取得了4.2 mA/cm2的光电水氧化性能，为目前文献采用一步法合成BiVO4光阳极报导的最高值，且与广泛采用的二步法合成的BiVO4性能相当。此外，利用优化后的一步热解法可实现25 cm2大面积BiVO4光阳极的可控制备和性能维持。以上研究成果为规模化高效钒酸铋光阳极制备和产业化应用奠定了基础。
我组长期致力于BiVO4材料在光催化全分解水的应用基础研究，在发现单斜相BiVO4的 {010}和{110}晶面间存在光生电荷分离效应（Nat. Commun.，2013）基础上，通过双助催化剂选择性沉积显著提升了Redox离子驱动下的可见光催化放氧活性，进而与产氢光催化剂组装，构筑了系列高效的可见光催化全分解水制氢体系，多次刷新并保持了粉末Z机制可见光催化全分解水制氢量子效率的国际记录，单波长420 nm激发下制氢表观量子效率先后达到6.8%（Angew. Chem. Int. Ed.，2015）、10.3%（Joule，2018）、12.3%（Nat. Commun.，2022）。
相关研究以“Insight into the Key Restriction of BiVO4 Photoanodes Prepared by Pyrolysis Method for Scalable Preparation”为题，于近日发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。该工作的共同第一作者是我所1621组毕业生杨能聪博士和博士研究生张赛楠。该工作得到了国家自然科学基金，科技部重点研发专项，中国科学院国际合作项目，大连市支持高层次人才创新创业等项目的支持。（文/图 杨能聪）
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202308729