光電催化水分解作為一種將太陽能轉(zhuǎn)化為寶貴的氫能的可再生技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注。這個過程包括兩個半反應(yīng): 析氫反應(yīng)(HER)和析氧反應(yīng)(OER)。由于四電子反應(yīng)的緩慢動力學(xué)，OER過程是實現(xiàn)高效光電催化水分解的瓶頸。釩酸鉍(BiVO4)具有較高的理論效率、較窄的禁帶寬度(2.4 eV)和有利的導(dǎo)帶位置，被認(rèn)為是光電催化領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。然而，其緩慢的空穴傳輸動力學(xué)導(dǎo)致光生電荷分離和傳輸效率降低，從而導(dǎo)致電荷容易聚集而復(fù)合。
為了提高BiVO4光陽極的電荷傳輸效率和穩(wěn)定性，華南師范大學(xué)江豐課題組利用簡單的旋涂工藝在BiVO4上修飾CuSCN空穴傳輸層(空穴傳輸層的引入為光生空穴轉(zhuǎn)移提供了合適的中間能級，避免了由缺陷和表面態(tài)引起的電荷復(fù)合和俘獲)，并將其與光輔助電沉積NiCoFe-Bi催化劑相結(jié)合，得到NiCoFe-Bi/CuSCN/BiVO4光陽極。
實驗結(jié)果表明，在AM 1.5 G照射下，所得光陽極在1.23 VRHE處的光電流密度為5.6 mA cm-2，0.6 VRHE下的外加偏壓光子-電流效率(ABPE)為2.31%；同時，在50小時的連續(xù)光照下，NiCoFe-Bi/CuSCN/BiVO4光陽極表現(xiàn)出穩(wěn)定的光電流。
此外，研究人員制備了NiCoFe-Bi/CuSCN/BiVO4-Si太陽能電池疊層器件，用于無偏壓太陽能水分解。該器件的STH為5.75%，并在無偏壓條件下經(jīng)過14小時的太陽光照射后表現(xiàn)出相當(dāng)高的長期穩(wěn)定性。同時，反應(yīng)4小時后，H2和O2的產(chǎn)量分別線性增加至327.22和164.21 μmol，平均法拉第效率接近95%，表現(xiàn)出優(yōu)異的光電催化水分解性能。
綜上，該項工作為BiVO4光陽極提供了一種新型的空穴傳輸層，其制備工藝簡單，成本低廉，有助于未來BiVO4光陽極的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。
Efficient BiVO4 photoanode with an excellent hole transport layer of CuSCN for solar water oxidation. Advanced Energy Materials, 2024. DOI: 10.1002/aenm.202304223
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