基于材料各向异性的高效Mo:BiVO4晶体光电极的可控制备及其 光电化学性质研究

The monoclinic phase BiVO4 is one of the most promising candidates to fabricate highly active photoelectrodes due to its narrow band gap(Eg=2.4eV) and valence band alignment(2.43V vs.NHE) and applications in the field of photoelectrochemical water splitting. However, due to the poor separation efficiency of photo-generated charges and transport ability of electrons, monoclinic phase BiVO4 photoelectrodes usually exhibited poor PEC performances. In order to improve the charge transport and separation efficiency and further enhance the PEC performances of monoclinic phase BiVO4 photoelectrodes, we proposed to design and fabricate high reactive Mo:BiVO4 single crystals photoelectrodes from the aspect of anisotropic. In order to achieve this purpose, we are going to investigate the anisotropic charge transfer in Mo:BiVO4, and investigate the mechanism and synergistic effects of the factors on the charge transportation process. Optimize the photoelectrode structure by crystal orientation growth or control crystal tangential direction and combined with the microstructure control method (surface modification, cocatalyst loading, etc.), we are going to fabricate Mo:BiVO4 single crystals photoelectrodes photoelectrodes with high reactivity, which are expected to further promote the development of PEC water splitting and stimulate its practical applications.

单斜相的BiVO4因其禁带宽度较窄(Eg=2.40eV)和价带位较正(2.43Vvs.NHE),使其成为制备高活性的光电极最佳材料之一，在光电化学分解水技术领域具有重要的应用。然而，由于BiVO4自身存在光生载流子分离效率以及传输能力差，导致光电化学转化效率低。本项目提出利用材料的各向异性，研究BiVO4材料中光生载流子分离与传输过程，探索各物理参数各向异性对光生载流子分离与传输的影响机制和协同作用规律，通过晶体的定向生长或控制晶体切向优化光电极内部光生载流子分离与传输，并结合微结构调控方法（表面修饰、助催化剂负载等），获得高活性的BiVO4晶体光电极，从而解决BiVO4光电极内部光生载流子分离与传输效率低的瓶颈问题，进一步推动光电化学分解水技术的发展及其实际应用。

单斜相的BiVO4因其禁带宽度较窄(Eg=2.40eV)和价带位较正(2.43Vvs.NHE)，使其成为制备高活性的光电极最佳材料之一，在光电化学分解水技术领域具有重要的应用。然而，由于BiVO4自身存在光生载流子分离效率以及传输能力差，导致光电化学转化效率低。本项目通过坩埚下降法生长出大尺寸、高质量的BiVO4晶体和Mo:BiVO4晶体。采用Laue取向法制备了BVO -(100)、BVO -(010)、BVO -(001)晶片，并对其暴露晶面的理化性质进行了研究。研究发现，不同类型BiVO4晶面上的原子排列和原子密度不同，导致其带隙、电荷寿命、拉曼散射和热扩散率存在显著差异。与其他外露晶体表面相比，(010)取向BiVO4晶体具有更宽的光学吸收范围、更高的光生电荷迁移率和稳定性，这对于理解晶体取向对电极性能的影响以及制备高效光电电化学光电极非常重要。在此基础上，研究（010）晶面的Mo:BiVO4光电极的光电性能，研究结果表明（010）晶面的2%Mo:BiVO4晶体的载流子浓度高达4.65x1019cm-3，且光电流密度高达1.5mA/cm2，是一个高效高性能的光电极基础材料。本项目基于材料各向异性，对 BiVO4 光电极结构进行调控，这一新型结构的设计将是研发新型、高效的BiVO4晶体材料的有效途径之一，同时，也为有针对性地实现特定的催化活性提供可能。