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光電化學(PEC)水分解是一種非常有前途的生產氫燃料的方法，為太陽能的轉換和存儲提供了一種經濟有效的解決方案。在眾多光陽極材料中，BiVO₄(BVO)具有理想的帶隙(2.4 eV)，在利用可見光驅動水氧化方面具有實際應用的潛力。但是，BVO的光生電荷分離/轉移困難以及材料表面水氧化動力學緩慢，導致其PEC性能遠不能滿足實際應用的需要。因此，有必要設計并開發合理的策略來對BVO進行修飾改性，顯著提高其PEC水分解光電流密度和穩定性。

單原子金屬-氮(M-N)物種已被廣泛用作共催化劑，以提高水氧化動力學。基于此，中國科學院化學研究所陳春城課題組在BVO煅燒結晶前引入單原子Fe-N-C材料或其他N配位Fe化合物作為摻雜前體，合成了一種配位Fe-N摻雜的BVO(Fe-N-BVO)，用于高效催化PEC水氧化。

同時，在Fe-N-BVO表面負載水氧化共催化劑FeNiOOH后，獲得的FeNiOOH/Fe-N-BVO光陽極顯示出創紀錄的光電流密度(在1.23 V_RHE時高達7.01 mA cm^?2)。相比之下，研究人員還合成了N摻雜、Fe摻雜和Fe/N摻雜的BVO光陽極，但它們光活性遠低于Fe-N摻雜的BVO光陽極。

系統的實驗表征和理論計算表明，Fe-N共摻雜BVO光陽極的高活性歸因于光誘導的體電荷分離，加速了表面水氧化動力學。具體而言，與單獨組分摻雜的BVO相比，Fe-N共摻雜沒有在BVO中形成深的陷阱態，而是在導帶底部下方產生Fe基電子態，在價帶頂部上方形成N衍生態。這種電子結構的調制使光生電子和空穴被有效捕獲，增強了光生載流子的分離，同時阻礙了來自深陷阱位點的電荷復合。

總的來說，該項研究報道了一種通過金屬和非金屬的協同摻雜來提高水氧化光陽極催化性能的新方法，最大限度地克服了半導體中載流子分離和輸運的缺點。

Fe-N co-doped BiVO₄ photoanode with record photocurrent for water oxidation. Angewandte Chemie International Edition, 2024. DOI: 10.1002/anie.202416340.

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