西工大黄维院士、王松灿教授/暨南大学朱明山教授Nat. Commun.:一种产氢效率达8.4%的钒酸铋-硅人造树叶

第一作者：刘博言

通讯作者：王松灿*，黄维*，朱明山*

单位：西北工业大学，暨南大学

氢气作为化石燃料的清洁替代品，为应对能源需求增长带来的碳排放问题提供了一种可行的解决方案。然而，目前全球超过 95% 的氢气仍依赖化石燃料制备，导致大量碳排放。因此，开发绿色制氢技术对可持续发展至关重要。光电化学（PEC）水分解利用太阳能直接制氢，是一种具有前景的零排放制氢技术。然而，高性能、低成本且长期稳定的 PEC 装置仍然面临挑战，尤其是传统 III-V 族半导体光电极的高成本限制了其规模化应用。在 PEC 水分解过程中，金属氧化物光阳极因其较好的稳定性受到广泛关注。其中，钒酸铋（BiVO₄）凭借适中的可见光带隙和较低的水氧化起始电位，被认为是最具前景的 PEC 光阳极之一。然而，其固有的低电子迁移率和短空穴扩散长度限制了载流子的有效分离与传输，导致光电流密度远低于理论值。此外，BiVO₄ 光阳极在 PEC 反应中的长期稳定性较差。因此，提升 BiVO₄ 光阳极的活性与稳定性，对其在实际 PEC 水分解中的应用至关重要。

基于此，西北工业大学黄维院士团队王松灿教授课题组联合暨南大学朱明山教授，在国际知名期刊《Nature Communications》上发表题为“A standalone bismuth vanadate-silicon artificial leaf achieving 8.4% efficiency for hydrogen production”的研究论文。该研究针对光电化学水分解技术在高效太阳能-氢气转化与长期稳定性方面的挑战，提出了一种基于梯度分布氧空位的BiVO₄光阳极设计。梯度氧空位可诱导强偶极场，以提高电荷分离效率。在光阳极表面引入海胆状FeOOH助催化剂，在1.23 V vs. RHE获得了7.0 mA cm-²的光电流密度，并在AM 1.5 G模拟太阳光照下稳定运行超过520小时。进一步结合硅光伏电池，单片人造树叶的太阳能-氢气转换效率（STH）高达8.4%，而在441 cm²的器件放大规模下，仍可在自然光照下实现2.7%的STH。生命周期评估（LCA）结果表明，该体系在氢气制备过程中具有极低的环境影响，展现了金属氧化物基人工光合成系统在规模化太阳能制氢领域的巨大潜力。

图1. BiVO₄-PV人造树叶实现太阳能水分解

该工作首先采用电沉积工艺在FTO玻璃基底上制备硫氧化铋前驱体薄膜。通过调控相对于饱和Ag/AgCl参比电极的电位，实现对薄膜形貌的调控。不同电位下所得前驱体薄膜的形貌明显不同。XRD分析表明，经过热处理后，前驱体转化为蠕虫状BiVO₄薄膜，且不同电沉积电位对BiVO₄的晶面取向无显著影响。使用Na₂SO₃作为空穴牺牲剂，测量BVO-ΔOᵥ光阳极的光电流密度及电荷分离效率。BVO-ΔOᵥ在1.23 V vs. RHE 时实现了7.2 mA cm-²的光电流密度和98%的IPCE，电荷分离效率接近100%。电化学阻抗分析表明，其电荷转移电阻更低，表面电荷传输特性更优，载流子密度更高，有助于降低PEC反应中的能量损失并提高电荷分离效率。开尔文探针力显微镜分析显示，其表面电位在光照下变化更显著，可产生更高的光电压以驱动电荷分离。此外，荧光光谱表明，相较于BVO，BVO-ΔOᵥ的带间发射峰更弱，纳秒时间分辨荧光测量显示载流子寿命延长1.86倍，均证明其更优异的电荷分离率。紫外光电子能谱分析进一步揭示，BVO-ΔOᵥ的导带位置略微负移，有助于在较低电位下实现高效PEC水分解。

要点二：解析光阳极体相氧空位分布和电场极化

为了揭示梯度分布氧空位光阳极的电荷分离机制，利用电子顺磁共振（EPR）分析其晶体结构，并通过X射线吸收近边结构（XANES）结合χ(R)空间光谱拟合和 χ(k) 小波变换验证BVO-ΔOᵥ中氧空位的形成。采用氩离子刻蚀结合XPS测量O 1s信号的深度分布，结果显示BVO仅在表面存在氧空位，而BVO-ΔOᵥ的氧空位含量随深度递减，呈现梯度分布。进一步的理论计算表明，这种梯度分布在不同晶向诱导出强偶极场，为光生载流子的分离和传输提供额外驱动力，从而有效降低光阳极内部的载流子复合。

要点三：构建大面积人工树叶，揭示衰减机制和LCA分析

该工作集成硅太阳能电池，制备了不同尺寸的人造叶片，最高尺寸为21 cm × 21 cm，能够在自然阳光下稳定地产生氢气和氧气气泡。小尺寸人造叶片光电流密度和太阳能到氢转换效率（STH）方面表现优异，最大STH效率为8.8%。人造叶片在密封反应器中稳定运行50小时，且光电流密度保持率为92%。大面积器件的性能测试表明，随着尺寸增大，STH效率有所下降，主要受限于欧姆损耗、电解质电导率等因素。生命周期评估结果显示，光电化学水分解技术在环境影响方面优于其他制氢方法，碳排放和能耗显著降低，证明其环保性和可持续性。

要点四：前瞻

本研究提出的梯度氧空位BiVO₄光阳极加载FeOOH助催化剂在AM 1.5 G光照下，1.23 V vs. RHE时实现7.0 mA cm-² 的光电流密度，电荷分离效率接近100%。通过与硅太阳能电池集成构建大面积人工树叶，为高效、稳定的太阳能驱动水分解提供了新的思路。未来的研究可进一步优化光阳极结构，提升光电转换效率，并探索更高效、低成本的助催化剂体系。此外，通过模块化设计与产业化集成，可推动人工光合成技术从实验室走向实际应用，为大规模绿色氢能生产奠定基础。同时，结合先进的材料计算与机器学习技术，可加速高性能光电材料的筛选与优化，进一步提升太阳能制氢的经济性和可行性。

Liu, B., Wang, X., Zhang, Y. et al. A standalone bismuth vanadate-silicon artificial leaf achieving 8.4% efficiency for hydrogen production. Nat Commun 16, 2792 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-58102-z

王松灿教授简介：西北工业大学博士生导师，翱翔海外学者，入选2023年度中国科协“科技智库青年人才计划”和陕西高校“优秀青年人才支持计划”。聚焦于柔性光电转换与存储的研究，包括能源光催化、环境光催化、电化学储能。在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Rev.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.和Nano Energy等本领域国际知名学术期刊发表论文80余篇，论文他引8300余次（Web of Science），H因子为41，13篇入选ESI高被引论文。主持国家级、省部级、厅局级和校级等项目10余项。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、中国科协科技人才奖项评审专家、J. Mater. Sci. Technol.和EcoEnergy等期刊青年编委，参加国内外学术会议作邀请报告20余次。