我院張輝教授團隊:一維WO3/BiVO4異質結光陽極用於高效的光電化學水分裂

2021-03-01 嶽麓材子HNU

  半導體光電化學(PEC)直接利用太陽能水解制氫是解決全球能源挑戰和環境修復問題的一種理想的可再生方法。在用於PEC水分離的半導體材料家族中，WO3因其低成本、無毒、良好的載流子輸運性能和良好的電化學穩定性而被稱為最具吸引力的光陽極材料之一。但WO3的可見光響應弱(小於460 nm)、孔穴擴散長度短、光子吸收係數低，大大限制了其光轉換效率，將WO3與另一種合適的半導體耦合構建異質結被廣泛用於這種缺陷的緩解。BiVO4是與WO3構建異質結光陽極進行高效的光電化學裂解水的理想選擇。此外，WO3/BiVO4異質結中WO3的形貌對其PEC性能也至關重要，一維(1D)形態WO3的設計可以顯著提高電極的電荷收集能力，以提高PEC活性。

湖南大學材料學院張輝教授團隊的研究生徐尚與寧波工程學院材料研究所楊為佑研究員課題組展開合作，研究了一種一維WO3/BiVO4異質結光陽極用於高效的光電化學水分裂的研究成果，該一維異質結光陽極最大光電流密度與純WO3光陽極相比提高約20倍，達到了2.8 mA cm-2 at 1.23 V vs. RHE，與目前報導的相同材料體系光陽極性能的最好結果相當，此外，該一維異質結光陽極的起始電位得到了有效的降低，與1D-WO3光陽極相比光電轉化效率(IPCE)提高了約4倍。

該研究成果以湖南大學材料科學與工程學院為第一單位，研究生徐尚為第一作者，傅定發副教授和侯慧林助理教授為共同通訊作者發表在《Chemical Engineering Journal》(IF= 6.735, DOI:10.1016/j.cej.2018.05.100)上，題為：「One-dimensional WO3/BiVO4 Heterojunction Photoanodes for Efficient Photoelectrochemical Water Splitting"。

連結：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894718309148

 

Figure 1. (a) Typical SEM image of sample FTO/BiVO4. (b-d) Typical SEM images of the precursor nanofibers (b) and their calcined products of sample FTO/1D-WO3 (c-d). (e-f) SEM images of sample FTO/1D-WO3/BiVO4 under different magnifications. (g) Cross-section SEM image of sample FTO/1D-WO3/BiVO4.

 

Fig 2. (a–b) Typical TEM images of a single WO3/BiVO4 nanofiber under different magnifications. (c) A typical HRTEM image recorded from the marked area of A in (a). (d) The corresponding SAED pattern recorded from marked area of B in (a). (e) EDX pattern of the WO3/BiVO4nanofiber. (f-i) The element mappings of O (f), W (g), Bi (h) and V (i) within a single WO3/BiVO4 nanofiber.

 

Figure 3. PEC performance over the FTO/1D-WO3, FTO/BiVO4 and FTO/1D-WO3/BiVO4 photoanodes: current-potential characteristics under chopped AM 1.5G illumination (a), transient photocurrent densities vs. times (b), EIS Nyquist plots (c) and IPCE spectra (d).

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