摘要
钒酸铋(BiVO4)由于带隙窄(2.4-2.5 eV)，导带、价带位置适合(价带利于水氧化，导带接近于H2热力学析出电势)，被认为是光电化学(PEC)分解水中有前景的材料，但BiVO4基光阳极的光电流密度远低于其理论值，主要是由于高的载流子复合率和表面水氧化动力学差。本文针对其缺点进行复合改性，分别构建了FeOOH/rGO/BiVO4光阳极、FeOOH/Ag/BiVO4光阳极和FeOOH/Ag/rGO/BiVO4光阳极，研究其PEC分解水的性能及机理。具体研究内容如下： 1、成功合成了FeOOH/rGO/BiVO4光阳极，其中还原氧化石墨烯(rGO)提高光吸收能力以及通过传输空穴来提高光生电子-空穴分离效率，FeOOH加速水氧化动力学。这种新型光阳极具有优异的PEC性能：光电流密度为3.25mAcm-2(1.23 V vs.RHE)，比纯的BiVO4光阳极(0.99 mA cm-2)高3.28倍，且稳定性良好，法拉第效率在3小时内保持约98%。此外，对于rGO在该复合光阳极中是通过传输空穴而不是电子来提高载流子分离效率提供了新的见解。 2、通过光沉积法将Ag纳米颗粒负载在BiVO4表面，构建FeOOH/Ag/BiVO4光阳极。该光阳极具有优异的PEC分解水性能，在无空穴牺牲剂时的光电流密度和应用偏压光电转换效率(ABPE)分别达到3.19mAcm-2(1.23V vs.RHE)和1.0%，是纯BiVO4的3.22倍(0.99 mA cm-2)及4.35倍(0.23%)。优异的PEC性能归因于Ag和FeOOH的协同作用，其中Ag可以提高光吸收效率(ηabs)和电荷分离效率(ηsep)，且具有等离子体共振效应(能使光阳极的载流子浓度增大)，而FeOOH的作用是提高表面电荷转移效率(ηox)。 3、将贵金属Ag纳米颗粒和rGO共同修饰BiVO4，成功合成具有优异PEC分解水性能的FeOOH/Ag/rGO/BiVO4光阳极材料，其光电流密度和应用偏压光电转换效率(ABPE)分别达到4.05mAcm-2(1.23V vs.RHE)和1.08%，是纯的BiVO4的4.09倍(0.99 mA cm-2)及4.70倍(0.23%)，且该复合光电阳极表现出优异的稳定性。此外，FeOOH/Ag/rGO/BiVO4光阳极的电荷分离效率(ηsep)和电荷传输效率(ηox)分别达到94%和90%(1.23V vs.RHE),相比于纯BiVO4(72%和29%)有非常显著的提高。
NETL