内蒙古大学王蕾教授课题组CEJ：硼处理促进BiVO4界面电荷分离和转移以实现高效稳定的太阳能水分解水制氢

第一作者：王浩

通讯作者：高瑞廷*、王蕾*

单位：内蒙古大学

为缓解能源和环境问题，光电化学水分解制氢（PEC）被认为是太阳能存储和转换的有效策略之一。BiVO₄半导体由于具有合适的带隙（~2.4 eV）和适当的带边位置，已被证明是太阳能水分解最有前途的材料之一。然而由于电荷转移缓慢、电子-空穴对复合严重以及缓慢的水氧化反应动力学，报道的BiVO₄基光阳极的光电流密度常低于其理论值（7.5 mA cm^-2），严重限制了其STH转换效率。

基于此，内蒙古大学王蕾教授课题组，在Chemical Engineering Journal期刊上发表题为“Boosting charge separation and transfer at the boron-triggered BiVO₄ interface for efficient and stable solar water splitting”的研究论文。

该研究提出了一项简单而有效的半导体表界面蚀刻策略，以NaBH₄还原处理光阳极，调节光阳极/催化剂界面，进一步修饰NiFeBi析氧助催化剂（OEC），显著提高BiVO₄（BVO）光阳极的PEC活性和稳定性。由此制备的NiFeBi/R-BVO光阳极在1.23 VRHE下达到了6.33 mA cm^-2的光电流密度，比原始BVO提高了约3.63倍。

经表征分析得出，缺电子态B的引入加速了表面光生空穴的捕获和电荷转移，从而增强BVO和NiFeBi OEC之间的界面耦合，有助于提升空穴从BiVO₄到NiFeBi表面进行水氧化的能力。密度函数理论计算进一步证明，表面B处理增加了OER的有效反应路径数，费米能级附近的电子态密度增加，从而提高了BVO/OEC界面的电导率。本工作为实现高效水氧化的界面工程提供了可行策略。

制备的BVO在NaBH₄缓冲液中进行5 min的刻蚀处理，然后在含有NiSO₄和FeSO₄的KBi缓冲液中光辅助沉积3min，制备出高效稳定的NiFeBi/R-BVO光阳极。SEM显示，NiFeBi/R-BVO光阳极呈典型的纳米蠕虫结构，厚度约为600 nm。TEM表明，处理后的光阳极表面形成了一层3 nm左右的无定形助催化层，且Bi、V、O、Ni、Fe、B元素均匀分布。

图1. NiFeBi/R-BVO结构表征。

要点二：高效的PEC水分解性能和长期稳定性

对NiFeBi/R-BVO进行了相应的光电化学性能测试，在一个标准太阳下表现出6.33 mA cm^-2的光电流密度，并且稳定性可达40小时。莫特肖特基曲线和EIS测试表明，NiFeBi/R-BVO比NiFeBi/BVO和BVO具有更低的界面阻抗和更高的载流子密度，表明NaBH₄处理和NiFeBi助催化剂的修饰能有效提高BVO的水氧化动力学。对NiFeBi/R-BVO光阳极稳定性测试过程进行了气相色谱分析，平均法拉第效率约为95.2%，这进一步证实了其优异的水分解能力。

图2. BVO, NiFeBi/BVO和NiFeBi/R-BVO电极的光电催化性能。

要点三：载流子动力学分析

图3. BVO, NiFeBi/BVO和NiFeBi/R-BVO的动力学分析。

要点四：NaBH₄处理对表界面的影响

SEM和TEM结果表明，BVO经NaBH₄处理后形成一层无定形层。XPS结果显示，NaBH₄处理后的R-BVO表面掺入了B元素。缺电子态的B可以与多电子的O、V和Bi元素共用电子对形成配位键，同时可以有效地捕获自由电子，增加表界面处的载流子密度，有效提高BVO的水氧化性能。

图4. NaBH₄处理的BVO的光电催化性能及表征分析。

要点5：DFT计算结果

DFT计算结果显示，NiFe/BVO、NiFeBi/BVO和NiFeBi/R-BVO的OER有效路径数（ΔGmax<=0）分别为17、26、38。随着B的引入，OER反应路径的数量增加，有助于促进OER反应发生。同时DOS结果显示，B处理可以提高BVO的导电性，有助于提高PEC性能。

图5. DFT理论计算分析

Hao Wang, Rui-Ting Gao,* Lei Wang.* Boosting charge separation and transfer at the boron-triggered BiVO₄ interface for efficient and stable solar water splitting.

王蕾教授：内蒙古大学化学化工学院教授，博士生导师。近年来主要从事一维自组装半导体材料设计及光电催化/电催化分解水制氢研究。以一作/通讯作者在Sci. Adv.、Angew. Chem. Int. Ed. (4篇)、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy (4篇) 、ACS Catal. (3篇)、Appl. Catal. B (3篇)等期刊发表论文60余篇，ESI高被引2篇。

主持国家重点研发计划纳米专项子课题(负责人)、国家自然科学基金及省部级项目10余项；入选内蒙古自治区杰出青年、内蒙古自治区第十批“草原英才”、内蒙古大学“骏马计划”等人才项目；获得内蒙古自治区青年科技创新奖，内蒙古大学乌可力优秀教师奖、中国科学院“西部青年学者”称号。现为《物理化学学报》青年编委，Frontiers in Chemistry客座编委。

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