三维WO3/BiVO4/Co-Pi光子晶体结构光阳极实现高效光电催化分解水

能源危机与环境污染是当今人类面临的两大挑战，寻求清洁、可再生能源显得迫在眉睫。太阳能资源蕴藏丰富，高效利用太阳能被认为是解决化石能源危机的有效途径。而利用半导体光电极直接将太阳能转化成光电催化分解水得到的氢能，可有效同时解决能源需求并降低对环境的污染，是未来最有前景的清洁能源之一。高效、稳定的半导体光电极材料设计与制备是实现高性能光电催化分解水的关键。BiVO₄作为窄带隙半导体(2.4 eV），具有优异的化学稳定性以及可见光响应性能，是理想的光解水光阳极材料。然而BiVO₄材料电子传输能力差且载流子扩散长度较短，与其光穿透深度较长的性质相矛盾，严重限制了其光解水的效率。

针对这一问题，同济大学物理科学与工程学院的程传伟副教授（点击查看介绍）团队通过引入三维WO₃反蛋白石结构光子晶体，利用高电子传输特性的WO₃作为骨架负载BiVO₄吸光层，其中WO₃和BiVO₄分别承担载流子传输和光子吸收的任务，解决了高光子吸收和高电子传输性能的矛盾，进一步在BiVO₄表面修饰“Co-Pi”水氧化助催化剂可以改善水氧化动力学，该WO₃/BiVO₄/Co-Pi复合光子晶体结构作为光阳极应用于光电催化分解水具有明显的优势：（1）三维连续有序的WO₃反蛋白石结构提供直接快速的电子传输通道和大的比表面积；（2）WO₃/BiVO₄半导体异质结构可促进光生载流子的分离效率；（3）Co-Pi助催化剂改善了BiVO₄电极水氧化动力学的速率。

通过光电化学分解水的测试表明，三维WO₃/BiVO₄/Co-Pi复合光子晶体光阳极呈现优异的光电催化分解水性能，最大的光电流密度为4.5 mA cm^-2  ( 1.4 V vs Ag/AgCl）。该研究为进一步设计开发高效光电催化分解水的光电极材料提供了指导思路。这一成果近期发表在Small 上，文章的第一作者是同济大学的博士研究生张海峰。

该论文作者为：Haifeng Zhang, Weiwei Zhou, Yaping Yang, Chuanwei Cheng*

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

3D WO₃/BiVO₄/Cobalt Phosphate Composites Inverse Opal Photoanode for Efficient Photoelectrochemical Water Splitting

Small, 2017, 13, 1603840, DOI: 10.1002/smll.201603840

程传伟博士简介

程传伟，同济大学物理科学与工程学院副教授，博士生导师；2009年于南京航空航天大学取得博士学位，2009年至2011年在新加坡南洋理工大学从事博士后研究，2011年6月起就职于同济大学；研究领域是光/电催化、电化学储能、原子层沉积技术及应用，在Nano Today、Adv. Mater、ACS Nano、Adv. Energy. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Small 等杂志发表SCI论文90余篇，他引3500多次，获授权发明专利2项，撰写英文专著一章节。

http://www.x-mol.com/university/faculty/41624