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研 究 背 景
全球气候变化加剧与化石能源枯竭的双重压力下，开发高效清洁能源技术迫在眉睫。氢能与太阳能因其零排放特性备受关注，但其核心反应——析氢反应（Hydrogen evolution reaction, HER）和碘还原反应（Iodide reduction reaction, IRR）受限于缓慢的动力学过程和昂贵的贵金属催化剂（如Pt和Pt/C）。铋基材料凭借低成本、丰富储量及可调控的层状结构成为研究热点，然而现有催化剂在界面设计、电子传输效率及活性位点优化方面仍存在瓶颈。如何通过缺陷工程与异质结构协同作用，构建高效稳定的电催化剂，成为能源转换领域的关键挑战。
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成 果 简 介
近日，西安建筑科技大学云斯宁教授（通讯作者）“新能源材料”研究团队通过温和的硒化策略，成功将1D Bi2Se3（BS）纳米线、3D氧空位介导的BiO2-x（BO）与超薄2D Bi2MoO6（BMO）纳米片复合，构建了1D/3D/2D共存的多维BS/BO/BMO分级异质结催化剂。该结构通过精准调控硒前驱体比例，在界面处触发双向电子流的双内置电场（Built-in electric fields，BIEFs），并引入氧空位优化电子结构。实验结合原位开尔文探针力显微镜（KPFM）与密度泛函理论（DFT）证实，双电场不仅加速电荷定向迁移，还通过Bi-O和Bi-Se的轨道杂化增强反应中间体的吸附能力，显著提升催化活性。BS/BO/BMO催化剂独特的多维结构和氧空位大大增加有效活性位点的数量。双内建电场为电子提供了明确的传输方向，并引导电子流到活动位点，从而显著提高了其在反应过程中的电化学性能。这种创新设计实现了多维异质结构与双内建电场提升催化性能的协同作用。在1 M KOH电解液中，BS/BO/BMO催化剂表现出卓越性能的性能，HER过电位（η10）仅为93.9 mV，塔菲尔斜率低至60 mV dec-1，优于多数铋基催化剂。用于太阳能电池中，其光电转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）达8.87%（AM 1.5G光照），且在低光强（0.1 Sun）下PCE飙升至15.77%。此外，催化剂在30小时连续测试中保持稳定，氧空位与双电场的协同效应有效抑制了结构退化，高效能源转换与稳定性验证展现了优异的工业应用潜力。许晓蓉为论文第一作者。
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图 文 导 读
要点一：通过温和硒化策略构建具有丰富氧空位和双内建电场的1D/3D/2D分层异质结电催化剂。
通过温和的硒化策略，将1D Bi2Se3（BS）纳米线、3D氧空位介导的BiO2-x（BO）与2D超薄Bi2MoO6（BMO）纳米片复合，构建了1D/3D/2D共存的多维BS/BO/BMO分级异质结催化剂。SEM和TEM图像显示BS/BO/BMO表现出独特的1D/3D/2D多维结构，不同长度的BS纳米线缠绕在BO/BMO的绣球表面，这种形态会增加BS/BO/BMO催化剂与电解质的接触面积，促进边缘活性位点的扩展，最终提高催化活性（图1）。
图1.（a）BS/BO/BMO的合成示意图；（b）BMO，（c）BO/BMO，（d）BS/BO/BMO的SEM图像；（e）BMO，（f）BO/BMO，（g）BS/BMO的TEM图像（插图为BMO的FFT图样）；（h-i）BS/BO/BMO的TEM图像；（j）BS/BO/BMO对应的FFT图样；（k）BMO，（l）BO，（m）BS的IFFT图像；（n）BS/BO/BMO的HAADF和元素图谱图像。
要点二：Bi2Se3/BiO2-x/Bi2MoO6电催化剂的双功能应用
制备的BS/BO/BMO电催化剂，在太阳能电池和电解水析氢反应中均表现出卓越的催化活性。在IRR中，BS/BO/BMO组装的光伏器件在AM 1.5G下获得了8.87%电池效率。当太阳光强度为10 mW cm-2（0.1个太阳）时，PCE达到15.77%（图2）。在HER中，BS/BO/BMO具有优异的析氢性能，电流密度为10 mA cm-2时，过电势为93.9 mV，Tafel斜率为60 mV dec-1（图3）。并且，BS/BO/BMO在IRR和HER中都表现了出色的电催化稳定性。
图2.（a）四种铋基催化剂的CV曲线；（b）Ip与扫描速度平方根之间的关系；（c）Tafel曲线；（d）EIS曲线；（e）在AM 1.5G条件下四种铋基催化剂和（f）BS/BO/BMO不同硒化比例样品的J-V曲线；（g）在0.1个太阳光照射下的J-V曲线；（h）氧化还原峰值电流密度变化；（i）不同对电极材料组装成太阳能电池的PCE比较。
图3.（a）铋基催化剂和（b）BS/BO/BMO-x的LSV极化曲线；（c）Tafel斜率；（d）电化学阻抗谱图；（e）铋基催化剂的性能参数；（f）不同催化剂间HER性能的比较；（g）四种铋基催化剂在10 mA cm-2下的时变曲线；（h）BS/BO/BMO在稳定性测试后Bi 4f的XPS。
要点三：DFT和KPFM揭示双内建电场机制
密度泛函理论（DFT）和开尔文探针力显微镜（KPFM）表明，BS/BO/BMO异质结中存在双重电子传输特性，即电子从BS传输到BO层，然后从BO传输到BMO层。并且，BS/BO和BO/BMO界面存在明显的接触电势差，这归因于界面与内部的电荷分布不同。在BS/BO界面，电子聚集形成电荷聚集区，而在BO内部，电子转移到BMO导致界面形成，最终在两个界面区域形成向下弯曲的带状结构（图4）。
图4.(a) BO/BMO和(b)BS/BO/BMO异质结界面处的差分电荷密度图（b）BS/BO/BMO异质结界面处的电荷密度差图；（c）BS/BO/BMO沿Z方向平均差分电荷分布；BS/BO/BMO结构中（d）单个元素和每个层（e）的DOS；(f) D带中心示意图；BS/BO/BMO样品在开尔文探针力显微镜下的（g）3D和（h）2D形貌图像；（g）界面接触电势差。
要点四：探究Bi2Se3/BiO2-x/Bi2MoO6在电化学反应中的催化机理
由于功函数的差异在BS/BO/BMO界面内引发了双向电子流（BO→BMO和BS→BO）的内建电场。一方面，双内建电场的构建则为电子提供了明确的传输方向，引导电子流向活性位点，从而显著提高电化学性能。另一方面，氧空位改变了材料的内部电子结构，使电子更容易被激发和传输，并增加了活性位点的数量（图5）。
图5.（a）IRR的反应机制；（b）碱性溶液中的多步HER反应机制；（c）BMO和BS/BO/BMO的EPR光谱；（d）能级对比图和（e）能带结构示意图；（f）BS/BO/BMO在电催化过程中的电子传输路径示意图。
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创 新 点
（1）通过温和硒化策略实现Bi2Se3（BS）纳米线、氧空位介导的BiO2-x（BO）与超薄Bi2MoO6（BMO）纳米片精准复合，构建了1D/3D/2D分级异质结。这种多维异质结构设计大幅增加活性位点与电解质接触面积。
（2）双向电子流（BS→BO→BMO）打破传统单电场局限，双内置电场驱动加速电荷分离与传输，降低反应能垒。
（3）氧空位调控电子态密度并增强中间体吸附，与双电场形成“双向电子流”效应。这种缺陷工程协同优化显著地提升HER和IRR动力学。
（4）在模拟太阳光下实现了8.87%的光电转化效率，在弱光环境下实现了15.77%的光电转化效率，为室内光伏器件开发提供新思路。
总之，1D/3D/2D复合架构扩展了活性位点，氧空位与双电场形成的“双向电子流”效应优化了电子传输路径，结合Bi-O/Se轨道杂化增强中间体吸附，突破了单一界面催化效率瓶颈。研究通过原位KPFM与DFT理论揭示了电荷迁移机制，多维异质结构设计与双电场协同机制为理性设计高效催化剂提供了新范式。
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总 结
该研究通过温和硒化策略，创新性地构建了1D/3D/2D多维BS/BO/BMO分级异质结催化剂，成功触发双向电子流的双内置电场（BIEFs），为高效能源转换提供了突破性解决方案。其重要性体现在显著降低了对贵金属催化剂的依赖，在碱性HER中实现93.9 mV的低过电位（η10）及60 mV dec-1的塔菲尔斜率，同时在新一代太阳能电池中达到8.87%的光电转换效率，弱光条件下发电效率提升至15.77%，大幅超越传统铋基材料性能极限。该研究为设计高效、低成本电催化剂开辟了新路径；为氢能制备、低光环境光伏器件及柔性电子领域提供了高性能材料基础，其双向电场调控策略可拓展至CO2还原、氮气固定等多元催化体系。未来通过规模化制备工艺优化及机器学习辅助组分设计，有望加速清洁能源技术的商业化进程，助力全球碳中和目标实现。
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论 文 信 息
Oxygen vacancy-mediated 3D/2D hydrange-type bismuth oxides with 1D Bi2Se3 nanowires confined via a mild selenization strategy to trigger dual built-in electric fields for accelerated energy conversion.Xiaorong Xu, Sining Yun*, Guangping Yang, Tianxiang Yang, Qing Pang, Zhiguo Wang, Haijiang Yang, Rou Feng, Wenqi Guo, Chaowei Luo, Haoyi Chen, Tianyi Zhang.
Advanced Functional Materials
https://doi.org/10.1002/adfm.202504278
原文链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202504278
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通 讯 作 者 简 介
云斯宁，西安建筑科技大学，二级教授，博士生导师，陕西省中青年科技创新领军人才，陕西省“特支计划”科技创新领军人才，陕西省重点科技创新团队带头人，陕西省高等学校学科创新基地负责人，西安建筑科技大学领军教授团队负责人。入选2022年全球学者库“全球顶尖前10万科学家”榜单，在材料科学领域国内入选的2666名学者中，排名776。连续6年入选美国斯坦福大学发布了“全球前2%顶尖科学家榜单(World's Top 2% Scientists)”，入选“终身科学影响力排行榜”和“科学影响力排行榜”。2006年11月毕业于西安交通大学，获博士学位，此后分别在韩国延世大学、美国斯坦福大学、美国加州大学、美国劳伦斯伯克利国家实验室、英国里丁大学、瑞士洛桑联邦理工学院等访问、交流与学习。目前主要从事新能源材料高效和资源化利用研究，如新一代太阳能电池、燃料电池、超级电容器、生物催化、制氢、多能互补等。在Chem Sov Rev, Prog Polym Sci, Energy Environ Sci, Electrochem Energy Rev, Adv Mater, Adv Energy Mater, Adv Funct Mater, Adv Powder Mater, ACS Energy Lett, Appl Catal B-Environ, Nano Energy, Angew Chem Int Edit, Renew Sust Energy Rev, J Mater Chem A, Chem Eng J, Small, Materials Today系列等国际期刊发表论文240余篇（IF>10的论文90余篇），H-因子62，先后有26篇论文入选ESI热点/高被引论文；主编/参编中、英文专著/教材9部；拥有26项国家授权专利技术。2016年获“Wiley材料学高峰论坛-西安”Highly-cited Author Award。2017年获中国国际光伏大会Best Presentation Award奖。2017-2023年，先后获陕西省科学技术进步奖一等奖、陕西省科学技术奖二等奖、陕西高等学校科学技术研究优秀成果奖特等奖、陕西高等学校科学技术奖一等奖等。先后担任国际期刊International Journal of Hydrogen Energy和Renewable & Sustainable Energy Reviews客座编辑（Guest Editor）。目前担任International Journal of Green Energy, Oxford Open Energy等编委；目前担任ESCI国际期刊Energy Materials（影响因子11.8）副主编；150余种主要国际SCI学术期刊的特邀审稿和仲裁专家。
更多详情，请访问导师主页和课题组主页。
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https://www.x-mol.com/groups/Sining_Yun
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