BiVO4光阳极与析氧催化剂层表面界面结构的原位表征及光生载流子转移机制的研究

The oxygen evolution catalyst (OEC) deposited on the surface of photoelectrode is advantage for reducing the on-set potential, increasing current density and prompting chemical reaction kinetic process. It is a good opportunity to understand photoinduced charge transport and reaction process and find new strategies to develop photochemical cell devices via in-situ study for effect of the surface and interface structure on photoelectronic properties of photoelectrode/OEC system. This project will target at research on BiOV4/OEC thin films, will fed on in-situ study on the electronic structure and photo-induced transport properties of BiVO4/OEC under light irradiation, electronic field and molecule adsorption, and will focus on mechanism study between surface and interface structure and photoinduced charge transport and photoelectrocnic properties. The study of first principle calculation, synthesis and fabrication, electronic structure characterization, photo-induced transport properties, quantum efficiency and photocatalytic activity will be performed in detail. Via research of this project, it will give case study for exploring the novel high performance BiVO4 nanoporus photoelectrode, it will rich basic understanding and physic of charge transport mechanism and lay a solid foundation for next generation photochemical cell (PEC).

析氧催化剂（OEC）在光电化学电池电极材料表面的沉积可以显著降低开启电压、增加电流密度并加快了化学反应的动力学过程。针对电极/OEC表面、界面光电输运性能的原位研究可以帮助我们深刻理解载流子迁移和化学反应的过程，并为下一代光电化学电池的开发带来新的思路。本项目拟以BiVO4/OEC材料体系为研究对象，以材料在外加光、电场及吸附分子存在条件下的电子结构与光电特性的原位表征为手段，以探索材料的表面和界面结构与载流子转移和光电转化性能之间的关系和规律为核心，开展第一性原理计算、材料制备、电子结构、光电输运、量子效率及光电转化特性的研究。通过本项目的研究制备出具有高量子效率、高可见光利用率并具备实用价值的BiVO4多孔薄膜电极材料，发展析氧催化剂(OEC)材料与阳极材料载流子转移的理论模型，为新型光电化学电池器件的研究与开发奠定理论基础。

能源短缺和环境污染是当前社会所面临的两大挑战。光电化学电池（PEC) 可以将低密度的太阳能转化为高密度的化学能，因此在解决能源和环境问题方面有巨大的潜力。BiVO4因其独特的性质已经成为PEC光阳极最有前途的材料之一。但是未经修饰的BiVO4在电荷传输、光生载流子反应动力学以及电子-空穴分离等方面不够优异，太阳能转化效率并不理想。研究领域已经开发了多种策略以克服上述局限性，比如形貌控制，构建复合结构，掺杂等。但和商业化应用所需达到的太阳能转换效率相比仍有非常大的距离。.我们采用调控内部缺陷和薄膜表面负载析氧催化剂等方法，以提高BiVO4光电极的太阳能转换效率为目标，取得如下主要成果：1. 通过氢气氛围下退火在纳米多孔BiVO4薄膜中引入氢掺杂和氧空位从而有效地减小带隙、增加吸光能力、提高载流子的浓度和迁移率、增强电子-空穴的分离，最终显著的降低开启电压和提高电流密度； 2. 开发了以固相烧结法制备的BiVO4纳米材料为电极的非酶光电化学葡萄糖传感器。BiVO4电极材料的光生空穴显示出较强的氧化能力，在可见光下，吸附在BiVO4电极表面的葡萄糖分子被光生空穴氧化，导致光电流显著增加。BiVO4作为光电极的传感器对葡萄糖的线性检测范围为0–5 mM，最低检测限为0.13μmol/L，并且具备很好的稳定性、选择性、重复性和重现性；3. 在具有氧空位的BiVO4薄膜中首次观测到了电阻转变效应，实现了一个以BiVO4为介质材料对电极依赖性弱的稳定的阻变器件。证明了BiVO4中Bi丝的量子化电导性质，BiVO4中自然存在的氧空位在BiVO4的RRAM器件中形成导电通道的过程中起到了催化剂的作用，这是该器件在顶部电极类型中观察到开关性能弱依赖性的主要原因；4. 在本领域重要杂志Adv Funct Mater 等发表论文37篇、受邀评论3篇，专利2项，培养博士2名，硕士4名。