钒酸铋(BiVO4)是最有前景的光电化学(PEC)水分解半导体之一，因为它具有狭窄的带隙(2.4 eV)和低成本特性。然而，在原始BiVO4薄膜中的低载流子迁移率(0.044 cm2 V−1 S−1)和短空穴扩散长度(70 nm)引起严重的电荷复合。
同时，由于析氧反应(OER)涉及四个电子的转移，在OER过程中的动力学非常缓慢，这也会导致严重的表面电荷复合。在PEC水分解过程中，BiVO4光阳极也存在严重的光腐蚀，导致稳定性较差，这严重限制了其在PEC水分解中的大规模应用。为解决上述问题，西北工业大学黄维、王松灿和昆士兰大学王连洲等通过典型的光辅助电沉积工艺，在BiVO4光阳极上设计了一种具有富氧空位的VOx析氧共催化剂(BVO/VOx)，其能够有效加速OER动力学。在PEC水分解性能测试实验中，优化后的BiVO4/VOx光阳极在1.23 VRHE时表现出较高的光流密度(6.29 mA cm−2)，几乎是纯的BiVO4的四倍；BiVO4/VOx的电荷转移效率(ղtrans)达到96%，高于大多数报道的最先进的BiVO4/析氧助催化剂光阳极。此外，在0.6 VRHE下，该催化剂在AM 1.5 G光照下连续反应40 h，其光电流仅降低了11.7%，表明BiVO4/VOx光阳极具有良好的稳定性。实验结果和密度泛函理论(DFT)计算表明，富氧空位的VOx在V轨道上具有大量未配对的电子，导致形成未配位位点的存在；因此更多的水分子可以吸附在活性位点上，这使得在VOx/电解质界面上电荷转移的电导率显著提高。此外，BVO和VOx之间共享的V-O键也有效地促进了电荷转移，进而大大提高了对OER的催化活性。综上，这项工作证明了钒基催化剂在PEC水氧化中的潜力，有利于推动用于太阳能-化学能转换的钒基催化剂的进一步发展。A BiVO4 Photoanode with a VOx Layer Bearing Oxygen Vacancies Offers Improved Charge Transfer and Oxygen Evolution Kinetics in Photoelectrochemical Water Splitting. Angewandte Chemie International Edition, 2023. DOI: 10.1002/anie.202217346
