许小勇教授， Adv. Sci.观点：外电子传输层促进纳米多孔BiVO4光阳极电荷分离

第一作者：杨啸天

通讯作者：胡经国*，许小勇*

单位：扬州大学

钒酸铋（BVO）兼具响应可见光的带隙（2.4~2.5 eV）和适于水氧化反应的深价带电位，是最有前途的光电化学（PEC）分解水电池光阳极材料之一。然而，迄今为止，利用BVO实现的PEC性能远低于理论预期，主要是由于本征电荷输运性能差，导致表面和体中发生严重的光生电荷复合。为此，形貌调控、掺杂或缺陷引入、异质结构构建，以及析氧催化剂（OECs）修饰等策略已经被验证可以有效改善电荷传输和分离，以提高BVO光阳极PEC性能。在这些技术中，设计电子传输层（ETLs）或空穴传传输层（HTLs）的异质结工程有望通过定向转移来引导电荷分离，这对于PEC水分解是非常有用的。

值得注意的是，基于II型异质结的ETL必须埋在BVO光吸收层和集电基底之间；此外，只有BVO/ETL异质界面作用于电子提取和空穴阻挡（即空穴镜）。因此，ETL导航电子输运的作用必然受到BVO层厚的影响，当光子采集需要足够的光学厚度时严重影响电子传输层的功能，这一矛盾是限制BVO光阳极量子产率的关键因素。特别是在纳米颗粒（NPs）多孔膜中，厚度增加可以实现光吸收与比表面的平衡优化，但是电子在颗粒膜中的传输障碍，成为制约光生电荷的分离和利用效率的瓶颈。因此，对纳米颗粒膜中电子体输运进行调控以突破增厚吸收层所造成的障碍是提高PEC性能的重要途径。

近日，来自扬州大学的许小勇教授与胡经国教授合作，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Enhanced Charge Separation in Nanoporous BiVO₄ by External Electron Transport Layer Boosts Solar Water Splitting”的观点文章。该论文首次提出“外部电子传输层”的概念，通过超薄生物炭封装BVO纳米颗粒构建三维立体导电网络外壳。构筑的BVO@C光阳极中，保角碳涂层钝化了BVO表面缺陷，构建三维电子抽取和传输通道，显著提高电子体输运，并抑制表面电荷复合。因此，BVO@C光阳极在1.23 VRHE下提供了近乎完全的电荷分离，即使吸收层厚度增加至800 nm以满足光学吸收。通过配合OEC加速空穴转移，BVO@C在1个太阳光照(100 mW/cm²)下，在1.23 VRHE下实现了高达5.9 mA/cm²的光电流密度，并且碳壳层还有效增强了BVO的光化学耐久性。

该论文利用超薄生物碳封装BiVO₄颗粒，构建三维立体导电网络，抽取并无障碍传输电子，价带积聚的空穴通过界面隧穿参与水氧化反应。因此，“外电子传输层”的新设计被证实有效促进半导体颗粒膜系统的光生电荷分离。结果表明：封装碳壳层显著提升了光生电荷分离效率及催化电流产出，而且有效增强了BiVO₄的光化学耐久性，实现了BiVO₄光阳极的活-稳性能的新突破。

Enhanced Charge Separation in Nanoporous BiVO₄ by External Electron Transport Layer Boosts Solar Water Splitting

胡经国 教授简介：从事材料结构物性与电子结构调控方面的研究。先后主持国家自然科学基金面上项目4项，以通讯作者身份在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Phys. Rev. B, Appl. Phys. Lett. 等学术刊物上发表八十多篇研究论文。

许小勇 教授简介：从事纳米能源材料与技术方面的研究，主要从事光/电分解水制氢研究与应用。近五年在Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Adv. Energy Mater., Nano Energy等学术期刊发表SCI论文百余篇，影响因子超过20的论文15篇，高被引论文12篇，引用次数过百的论文8篇。主持国家自然科学基金3项，授权发明专利11项，获得全国商业联合会科学进步二等奖和全国产学研合作创新奖。担任全国光电材料与器件专业委员会委员、江苏省微纳光子学专业委员会委员等。先后入选江苏省“双创”计划科技副总、江苏省“青蓝”工程学科带头人、杭州市5110人才计划、扬州大学“高端”领军人才等。

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