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【JACS】P 型 BiVO 4 用于太阳能 O 2 还原至 H 2 O 2：光催化新突破 ​

总结 ​

研究通过 Ca²⁺掺杂在 Bi³⁺位点，成功制备了具有 p 型导电性的单斜晶系 BiVO 4（ms-BiVO 4），并将其应用于太阳能驱动的 O 2 还原生成 H 2 O 2。计算和实验结果表明，Ca 掺杂有效降低了自陷能，提升了空穴的稳定性和自由载流子生成。

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摘要 ​

光电化学电池（PECs）能够直接利用太阳能驱动化学反应，生成燃料和化学品。氧化物基光电极通常具有增强的抗光腐蚀稳定性，但大多数氧化物半导体为 n 型，适用于光阳极，而 p 型氧化物光阴极较为稀缺。本研究通过在富氧环境下在 Bi³⁺位点掺杂 Ca²⁺，成功制备了具有 p 型导电性的单斜晶系 BiVO 4（ms-BiVO 4，带隙 2.4 eV）。实验和计算结果表明，Ca 掺杂的 ms-BiVO 4 光阴极在适当催化剂的配合下，可用于太阳能驱动的 O 2 还原生成 H 2 O 2。混合密度泛函理论计算揭示，ms-BiVO 4 中的空穴以极化子形式稳定存在，具有低自陷能，可能在有限温度下生成自由载流子。Ca 作为有效的浅受主掺杂剂，具有低形成能和热电离能，导致 p 型导电性。实验和计算结果为设计 p 型 ms-BiVO 4 提供了关键见解，使其作为极化子氧化物光阴极得以应用。

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研究结果 ​

光电极的合成与表征 ​

  • 合成方法：通过在富氧环境下在 Bi³⁺位点掺杂 Ca²⁺，制备具有 p 型导电性的单斜晶系 BiVO 4（ms-BiVO 4）。
  • 表征方法：利用 X 射线衍射（XRD）和紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）对光电极进行表征，确认其晶体结构和光吸收特性。

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光催化性能 ​

  • 光催化活性：Ca 掺杂的 ms-BiVO 4 光阴极在适当催化剂的配合下，可用于太阳能驱动的 O 2 还原生成 H 2 O 2。
  • 极化子稳定性：计算结果表明，ms-BiVO 4 中的空穴以极化子形式稳定存在，具有低自陷能，可能在有限温度下生成自由载流子。

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掺杂效果 ​

  • 掺杂剂特性：Ca 作为有效的浅受主掺杂剂，具有低形成能和热电离能，导致 p 型导电性。
  • 计算结果：混合密度泛函理论计算揭示，Ca 掺杂有效降低了自陷能，提升了空穴的稳定性和自由载流子生成。

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研究细节 ​

  • 光电极制备：通过在富氧环境下在 Bi³⁺位点掺杂 Ca²⁺，成功制备了具有 p 型导电性的单斜晶系 BiVO 4（ms-BiVO 4）。

  • 光催化活性：Ca 掺杂的 ms-BiVO 4 光阴极在适当催化剂的配合下，可用于太阳能驱动的 O 2 还原生成 H 2 O 2。 image.png

  • 极化子稳定性：计算结果表明，ms-BiVO 4 中的空穴以极化子形式稳定存在，具有低自陷能，可能在有限温度下生成自由载流子。

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  • 掺杂剂特性：Ca 作为有效的浅受主掺杂剂，具有低形成能和热电离能，导致 p 型导电性。

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  • 计算结果：混合密度泛函理论计算揭示，Ca 掺杂有效降低了自陷能，提升了空穴的稳定性和自由载流子生成。

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这项研究展示了通过 Ca 掺杂实现 p 型 BiVO 4 光阴极在太阳能驱动的 O 2 还原生成 H 2 O 2 中的巨大潜力，为未来的光电化学电池设计提供了新的思路和方法。详细信息可以在这里找到。

参考文献 ​

Seo, D.; Somjit, V.; Wi, D. H.; Galli, G.; Choi, K.-S. P-Type BiVO4 for Solar O2 Reduction to H2 O2. J. Am. Chem. Soc. 2025, jacs.4c13290. https://doi.org/10.1021/jacs.4c13290.