山东大学AM：高光电化学产氢活性的BiVO4生物质光燃料电池

通过构建电荷和能量传输桥梁提高BiVO₄光电化学生物质燃料电池的产氢活性

第一作者：王肇祺

通讯作者：刘小磊*，王泽岩*，黄柏标*

单位：山东大学

由于水氧化反应热力学能垒高、动力学缓慢，导致目前光电化学分解水制氢的活性和效率依旧很低。利用有机废物构建光电化学燃料电池来取代传统的水氧化反应被认为是提升光电化学制氢活性和效率的有效手段。然而，在大多数报道的光电化学燃料电池体系中，常用的有机物仅仅作为光生空穴牺牲剂使用，通过消耗有机物来促进光生电子和空穴的分离。因此，传统的光燃料电池的活性受到光电极活性的制约，性能依旧很低，有机燃料中的化学能并没有得到充分利用。这与设计光燃料电池的初衷并不一致，没有实现有机物中的能量转换成额外的电能或氢能，这个原因是值得关注的。

基于此，来自山东大学晶体材料研究院（晶体材料国家重点实验室）的黄柏标、王泽岩教授团队在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Boosting H₂ Production from BiVO₄ Photoelectrochemical Biomass Fuel Cell by the Construction of a Bridge for Charge and Energy Transfer”的研究文章。

本文利用低经济价值的酒石酸（C₄H₆O₆）作为燃料，成功设计了一种高活性BiVO₄光电化学生物质燃料电池体系。利用多金属络合位点的BiVO₄光阳极与强络合能力的酒石酸形成的强络合，成功构建电荷与能量传递的桥梁。反应前后的红外、XPS及莫特-肖特基曲线验证了BiVO₄光阳极和酒石酸之间确实存在强络合。在最优的纳米多孔的BiVO₄光燃料电池体系中，在AM1.5 G的光照射下，BiVO₄光阳极在1.23 V时电流密度达到13.54 mA/cm²，远高于已报道的光电分解水体系或燃料电池体系。

同时，该电流密度远高于BiVO₄光阳极在AM1.5 G的光照射下的理论光电流密度（7.5 mA/cm²）。该结果充分的表明了，除了BiVO₄光阳极的正常光电转换之外，酒石酸中的能量在其氧化过程中也能被有效释放并参与到外电路的电流贡献，该燃料电池不仅提高了BiVO₄光阳极的光电能量转化效率，更有效地将生物质中的化学能转化为电能或H₂。

本文为解决光电化学制氢效率较低的问题开辟了一条新途径，为提高传统光电化学燃料电池的光电化学活性和能量转化效率提供了新思路。文章通讯作者为山东大学晶体材料研究院（晶体材料国家重点实验室）黄柏标教授、王泽岩教授和刘小磊博士，第一作者为博士研究生王肇祺，山东大学为独立完成单位。

要点一：通过有机物酒石酸与BiVO₄光阳极的强络合构建电荷和能量转移桥梁

要点二：本体系的有机物燃料的特殊性与普遍性

本文通过将光电燃料电池的燃料——酒石酸替换为仅含有羟基的甘油、葡萄糖等和仅含有羧基的丁酸等，确定了仅含有羟基或羧基的有机物并不能最大限度地提升BiVO₄光燃料电池的光电化学活性，有机燃料中同时存在羧基和羟基对于BiVO₄光燃料电池的高活性具有关键作用。此外，本文还将酒石酸替换为结构类似的具有强络合能力的羟基羧酸，如：苹果酸（C₄H₆O₅）、柠檬酸（C₆H₈O₇）和葡萄糖酸（C₆H₁₂O₇）等，结果表明其可与酒石酸具有相似的效果，扩大了适用生物质燃料的应用范围。

要点三：机理探讨

要点四：前瞻

相对于报道较多的光电化学分解水体系，当前对高效光电化学燃料电池体系的研究仍然有限。本文通过构建电荷和能量转移的桥梁，同时解决了传统光电化学燃料电池中光电化学活性低和燃料中能量转换和利用率低的两大难题。本研究为有效利用和转化低成本、储量丰富和可再生的生物质废物提供了新途径，为设计高效光电化学燃料电池体系提供了新思路。

Boosting H₂ Production from BiVO₄ Photoelectrochemical Biomass Fuel Cell by the Construction of a Bridge for Charge and Energy Transfer

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202201594

王泽岩  教授  

工学博士，教授，博导，山东大学齐鲁青年学者。研究方向主要包括光催化产氢、光催化和电催化二氧化碳还原、光电催化分解水等。先后在Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Chem. Mater., ACS Catalysis. 等国际知名学术期刊上发表SCI论文100余篇。先后承担国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目等。

刘小磊  博士 

工学博士。研究方向主要包括光催化产氢、电催化产氢、光催化二氧化碳还原等。先后承担国家自然科学基金青年项目、山东省自然科学基金青年基金以及中国博士后科学基金等。

黄柏标  教授  

工学博士，教授，博导，山东省“泰山学者”特聘教授，长期从事光催化材料、能源与环境材料的设计制备及其应用等方面的研究工作。近年来，先后在Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等国际知名学术期刊上发表SCI论文400余篇，19篇论文入选“ESI高被引论文”，总引用超过16000次，获国内授权发明专利20余项。先后承担国家科技部“973”和“863”计划项目、国家自然科学基金重点项目等国家级科研项目。

王肇祺，山东大学晶体材料研究院（晶体材料国家重点实验室）黄柏标教授课题组博士研究生，师从王泽岩教授，研究方向为光电化学燃料电池和光电化学分解水。