张辉教授团队：一维WO3/BiVO4异质结光阳极用于高效的光电化学水分裂

半导体光电化学(PEC)直接利用太阳能水解制氢是解决全球能源挑战和环境修复问题的一种理想的可再生方法。在用于PEC水分离的半导体材料家族中，WO₃因其低成本、无毒、良好的载流子输运性能和良好的电化学稳定性而被称为最具吸引力的光阳极材料之一。但WO₃的可见光响应弱(小于460 nm)、孔穴扩散长度短、光子吸收系数低，大大限制了其光转换效率，将WO₃与另一种合适的半导体耦合构建异质结被广泛用于这种缺陷的缓解。BiVO₄是与WO₃构建异质结光阳极进行高效的光电化学裂解水的理想选择。此外，WO₃/BiVO₄异质结中WO₃的形貌对其PEC性能也至关重要，一维(1D)形态WO₃的设计可以显著提高电极的电荷收集能力，以提高PEC活性。

湖南大学材料学院张辉教授团队的研究生徐尚与宁波工程学院材料研究所杨为佑研究员课题组展开合作，研究了一种一维WO₃/BiVO₄异质结光阳极用于高效的光电化学水分裂的研究成果，该一维异质结光阳极最大光电流密度与纯WO₃光阳极相比提高约20倍，达到了2.8 mA cm^-2at 1.23 V vs. RHE，与目前报道的相同材料体系光阳极性能的最好结果相当，此外，该一维异质结光阳极的起始电位得到了有效的降低，与1D-WO3光阳极相比光电转化效率(IPCE)提高了约4倍。

该研究成果以湖南大学材料科学与工程学院为第一单位，研究生徐尚为第一作者，傅定发副教授和侯慧林助理教授为共同通讯作者发表在《Chemical Engineering Journal》(IF=6.735,DOI:10.1016/j.cej.2018.05.100)上，题为：“One-dimensional WO3/BiVO4 Heterojunction Photoanodes for Efficient Photoelectrochemical Water Splitting”。链接：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/BiVO₄under different magnifications. (g) Cross-section SEM image of sample FTO/1D-WO₃/BiVO₄.

Fig 2. (a–b) Typical TEM images of a single WO₃/BiVO₄nanofiber 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/BiVO₄and FTO/1D-WO₃/BiVO₄photoanodes: current-potential characteristics under chopped AM 1.5G illumination (a), transient photocurrent densities vs. times (b), EIS Nyquist plots (c) and IPCE spectra (d).