光电化学分解水技术（PEC）能够将太阳能转换为绿色无污染的氢能，对于降低我国碳排放，优化我国能源结构具有重要的意义。BiVO₄由于其成本低、无毒以及带隙合适的特点被认为是光电化化学分解水最有前途的光阳极材料之一。然而，由于BiVO₄光阳极表面析氧反应涉及四个电子的转移，表面析氧催化活性位点少，析氧反应动力学十分缓慢，导致了严重的表面电荷复合。在光电分解水的过程中，BiVO₄光阳极容易受到严重的光腐蚀，导致其稳定性较差。过去的研究表明：在BiVO₄光阳极表面负载含氧空位助催化剂能够有效降低表面电子空穴复合，提高界面载流子传输能力。但是，其稳定性目前处于比较低的水平，需要研究者进一步探索与研究。

针对上述科学问题，近日，西北工业大学黄维院士团队王松灿教授课题组和陕西师范大学朱刚强教授、昆士兰大学王连洲教授合作，提出了一种在富含氧空位缺陷的析氧助催化剂MnCo₂O_x中部分填充氮原子的策略。优化后的N:MnCo₂O_x/BiVO₄光阳极在AM 1.5 G的模拟太阳光及1.23 V vs RHE偏压下，其光电流密度可以达到6.5 mA cm^-2，电荷转移效率高达95%，并且表现出超过150 h的光电催化分解水稳定性。

进一步研究表明，氮原子填充部分氧空位可以极大地优化表面助催化剂MnCo₂O_x的化学键结构与电子分布。具体来说，当氮原子进入氧空位后，与Mn原子形成了N-Mn键，这一结构对于提高光阳极在析氧过程中的稳定性具有至关重要的作用，此外，低电负性的氮原子促进了电子在Co原子附近的富集，从而提高了界面的空穴提取能力。同时，用密度泛函理论(DFT)计算研究了MnCo₂O_x/BiVO₄和N:MnCo₂O_x/BiVO₄中Co原子在OER过程的吸附自由能，N:MnCo₂O_x/BiVO₄表现出更低的吸附自由能，表明该策略能够有效降低OER过程反应能垒，提高析氧反应动力学。

图1 N:MnCo₂O_x/BiVO₄的制备过程与表面形貌结构分析

图2 N:MnCo₂O_x/BiVO₄光电性能

图3 BiVO₄, MnCo₂O_x/BiVO₄和N:MnCo₂O_x/BiVO₄的光学性能与电化学性能比较分析

图4 MnCo₂O_x/BiVO₄和N:MnCo₂O_x/BiVO₄的XPS分析与理论计算

王松灿：教授，博导，翱翔海外学者。2011和2014年分别获得中南大学学士和硕士学位，2018年获澳大利亚昆士兰大学博士学位，师从王连洲院士，随后继续留组从事博士后研究，并于2019年9月入职西北工业大学，加盟黄维院士团队。聚焦于柔性光（热）电转换与存储的研究，包括柔性光催化、柔性光电器件、柔性热电材料与器件、柔性锌离子电池。作为第一/通讯作者，在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Rev.、Adv. Funct. Mater.和Nano Energy等本领域国际知名学术期刊发表论文20余篇。累计发表学术论文60余篇，论文他引5500余次（Web of Science），H因子为35，10篇入选ESI高被引论文。授权中国发明专利5项。累计获得学术奖励18项，包括西北工业大学翱翔海外学者、国家优秀自费留学生奖学金、J. Mater. Sci. Technol.优秀论文奖等。担任澳大利亚研究委员会基金项目评审专家、J. Mater. Sci. Technol.、J. Cent. South Univ.和Tungsten期刊青年编委，参加重要国际学术会议26次，口头报告21次（包括9次邀请报告），受邀为Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal., B、Small、J. Mater. Sci. Technol.等知名学术期刊审稿。

黄维：中国科学院院士、美国工程院外籍院士、俄罗斯科学院外籍院士、亚太材料科学院院士、东盟工程与技术科学院外籍院士、巴基斯坦科学院外籍院士、欧亚科学院院士。教授、博导，柔性电子（包括有机电子、塑料电子、生物电子、印刷电子、能源电子和纳米电子）学家。俄罗斯科学院名誉博士、英国谢菲尔德大学名誉博士，英国皇家化学会会士、美国光学学会士、国际光学工程学会会士。曾两次获得国家自然科学奖二等奖、四次获得高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学奖一等奖、六次获得江苏省科学技术奖一、二等奖以及何梁何利基金“科学与技术进步奖”和中国电子学会自然科学奖一等奖等，成果曾入围中国“高等学校十大科技进展”。现任西北工业大学学术委员会主任、柔性电子前沿科学中心首席科学家。

Xu L, Zhang Y, Liu B, et al. Nitrogen incorporated oxygen vacancy enriched MnCo₂O_x/BiVO₄ photoanodes for efficient and stable photoelectrochemical water splitting. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5939-9.

识别二维码或点击左下角“阅读原文”可访问全文