铁镍助催化剂增强BiVO4光阳极析氧活性与稳定性的作用机制研究

来源：X一MOL资讯

光电催化分解水产生氢气和氧气是将太阳能转化为化学燃料最理想的技术途径之一。然而，由于光阳极表面的析氧反应(OER)涉及复杂的四电子转移过程导致其动力学过程非常缓慢，严重制约了太阳能光电催化分解水的整体转换效率。近年来，在光阳极表面选择性构建OER助催化剂，可以有效促进光生空穴快速转移至助催化剂表面，从而降低水氧化的过电势，提高太阳能光电分解水活性。然而，对于OER助催化剂在光电催化过程中是如何促进光生电荷分离及表面催化反应的作用机制仍不清楚。
近日，中国科学院兰州化学物理研究所毕迎普研究员课题组通过调控反应溶液酸碱性实现了FeNi助催化剂在BiVO4光阳极表面的选择性生长，在AM1.5的模拟太阳光及1.23VRHE偏压下其光电流密度可以达到5.8 mA cm-2，并且大幅度提高了光电催化分解水的稳定性。
详细对比实验结果表明Fe和Ni在提升BiVO4光电催化性能方面具各自不同的作用：Fe物种的引入能够大幅度提升其水氧化活性，而Ni可以有效增强其光电催化稳定性。同时，角分辨XPS研究结果表明在BiVO4表面构建Fe物种，高价态的Bi(3+x)+随之出现；相反，Ni的引入使BiVO4表面出现了低价态的V(5-x)+物种，这一结果有力证实了Fe和Ni在BiVO4表面的Bi、V位选择性界面键合，并且密度泛函理论（DFT）计算结果进一步为上述结论提供了相应理论支持。光激发时，Fe-O-Bi界面键合可以有效促进光生空穴从BiVO4转移到Fe活性位点，大幅度提高光电催化水氧化活性，而Ni 原子通过Ni-O-V键将电子注入V位点，有效避免V5+离子从BiVO4晶格中溶出并提升光电催化稳定性。因而，FeNi助催化剂不但可以有效提升BiVO4光电催化分解水活性，同时可大幅度提升其稳定性。
这项工作首次揭示了FeNi助催化剂在光电极表面的催化作用机制，为设计构建高效稳定的太阳能光电催化分解水体系提供了新的研究思路。

相关结果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。