摘要
能源耗竭和环境污染是当下乃至未来人类面临和亟待解决的重大挑战。绿色能源特别是太阳能在引领未来清洁能源的发展方向上占据相当大的优势，而利用半导体光电催化分解水技术是革新能源生产和推动环境可持续发展的典范。其中，BiVO4作为光电催化领域最具前景的材料之一，因其合适的带隙宽度、足够正的价带电位、出色的光稳定性而备受瞩目。尽管如此，光电催化分解水效率仍受到科学问题的制约，比如电子空穴对的严重复合以及水氧化动力学缓慢等。在此，本研究以铋基光阳极为核心，通过构建异质结、助催化剂负载等策略对BiVO4进行调控，开展了改性后BiVO4在光电催化方面的研究探讨： （1）采用水热法合成一种新颖的花状微球结构的Bi2WO6，将其掺杂在Mo, W:BVO前驱体溶液中，采取固-溶干燥煅烧的工艺制备出Mo, W:BVO/Bi2WO6复合光阳极。二者的能带关系会形成Ⅱ型异质结构，能有效促进复合光阳极中电子空穴的分离和转移。此外，电化学沉积 NiFeOOH 助催化剂合成了具有优异光电催化性能的Mo, W: BVO/Bi2WO6@NiFeOOH复合光阳极。NiFeOOH助催化剂的修饰能为其表面提供丰富的氧化活性位点，可以快速转移富集在光阳极表面的空穴， Fe2+/3+和Ni2+/3+离子在循环变价过程中提升了光阳极水氧化能力和长期稳定性，所得到的光阳极在1.23 V vs. RHE时表现出3.8 mA cm?2的光电流密度。本工作基于Mo, W:BVO光阳极提出了新的见解，揭示了异质结构在促进光阳极内部电荷转移，以及OER助催化剂和光阳极界面电子交互的关键作用，为构建高效光电催化光阳极材料提供一定的指导。 （2）尖晶石氧化物（NiCo2O4）作为一种新兴的光催化材料被引入。我们通过模板法制备了兼具大比表面积和高导电性的 NiCo2O4空心球，其显示出卓越的光催化特性。在这一重大改进的基础上，设计合成了一种新型的Mo, W:BVO/NiCo2O4复合结构，NiCo2O4的独特空腔结构赋予了更多的活性位点以及更短的电子传输通道。此外，层间 Ag NPs 的嵌入会与半导体形成肖特基势垒。II 型异质结和 Ag NPs 的SPR 效应协同增强电荷载流子的分离和传输，从而显著提高了光电流。合成的 Mo, W: BVO/NiCo2O4/Ag NPs复合光阳极在1.23 V vs. RHE时的光电流密度达到了5.3 mA cm-2。通过实验和理论论证，我们的工作为使用尖晶石氧化物和贵金属改性BiVO4光阳极以提高其光电催化性能提供了新的见解。 （3）我们合成了WO3@Mo, W: BVO异质结构，由WO3和Mo, W: BVO形成的异质结可以促进电子-空穴对的迅速转移。此外，引入CQDS助催化剂，构建了具有快速空穴传输通道的WO3@Mo, W:BVO@CQDS三元结构，复合光阳极在1.23 V vs. RHE时表现出了4.6 mA cm-2的卓越光电流密度，分别是Mo, W:BVO和WO3@Mo, W: BVO的8倍和6倍。CQDS不仅在固-液界面为空穴向外迁移提供驱动力，促进体电荷的有效分离，而且作为一种光敏剂，进一步增强了复合材料的光吸收能力。这项研究扩展了光阳极的设计思路，为组件结构和光电特性之间的关系提供了新的见解，并将促进新型高效和稳定光阳极材料的发展。
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