第一作者（或者共同第一作者）：WU Hao; ZHANG Lei
通讯作者（或者共同通讯作者）：WU Hao; NG Yun Hau
通讯单位：香港城市大学；澳门科技大学
论文DOI：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c00465
钒酸铋光阳极材料的极化子运动对实现高效太阳能分解水非常重要，但对于极化子如何调控钒酸铋电荷传输的研究尚未明朗。
近日，
澳门科技大学澳门材料科学与工程研究院（MIMSE）吴昊助理教授与香港城市大学NG Yun Hau教授
以极化子的科学视角再度探究钒酸铋加氢处理对于小极化子运动以及光生电荷传输的作用机制，提出在模拟太阳光照射下，氢元素掺杂占位钒酸铋的原位氧空穴，从而降低电子小极化子的跳跃传输能垒并促进光生电荷分离。
光电化学水氧化是实现太阳能催化转化分解水制氢的重要步骤。经过二十多年的研究和发展，钒酸铋已逐渐成为实现高效水氧化的光电活性材料。然而，钒酸铋的太阳能催化转化效率始终受制于其不理想的光生电荷传输能力，尤其是因小极化子形成及大量缺陷位点所限制的光生电子传输。
针对这些问题，本文通过密封低温高压反应器加氢处理钒酸铋光阳极，通过一系列实验和模拟计算手段研究钒酸铋光阳极的光生电子转移现象，并从极化子角度解释光生电子传输调控机理。
通过结合温度变化光生电流、单色光照射光电化学响应、温度变化电导率、氢质谱以及模拟计算等手段揭示轻度加氢处理钒酸铋降低了其氧空位附近的小极化子跳跃传输能垒并且释放自由传输的极化子，这主要归因于外来的氢元素占据了钒酸铋内在的氧空穴缺陷位点。
图1. 加氢处理及未处理的钒酸铋光阳极在正面以及背面光照下的光电化学响应差异。
未经处理的钒酸铋光阳极在正面照光条件下普遍表现出相较于背面照光时光电化学响应差，主要归咎于较低的光生电子传输能力。然而，加氢处理过后的钒酸铋光阳极表现出了在正面照光条件下更优异的光电化学性能，其差异可通过加氢处理的温度有效调控。
图2. 加氢处理及未处理的钒酸铋光阳极的温度变化光电化学响应及其阿伦尼乌斯拟合。
本文的第一作者，吴昊博士通过温度变化的光电化学测试指出，钒酸铋光阳极在轻度加氢之后，其光生电荷的传输壁垒从原本的~532 meV降低到~293 meV。
图3. 加氢处理及未处理的钒酸铋光阳极的温度变化电导率及其阿伦尼乌斯拟合。
钒酸铋光阳极的小极化子的形成主要是由于电子与钒酸铋晶格相互作用，导致晶格畸变并捕获电子在晶格结构中所引起。电子小极化子在钒酸铋中的跳跃传输需要外部热动能的注入，也称为极化子传输活化能（E
a
）。温度变化电导率的阿伦尼乌斯拟合结果揭示钒酸铋的E
a
在轻度加氢处理之后，从与原本的大约510 meV降低到大约200 meV, 与前面温度变化的光电化学测试结果相吻合。
本项工作从电子小极化子形成的创新视角重新审视加氢处理的钒酸铋光阳极在光电催化水氧化过程中的作用机制，有效地提高了其在前照光测试条件下的光电化学响应；在光电化学沉积水氧化助催化剂之后，其外加偏压下的光电转换效率（ABPE）达到1.91% (0.58 V
RHE
)。本项工作有助于未来极化材料在太阳能催化转化过程中的应用。
吴昊助理教授，澳门科技大学，澳门材料与工程研究院（MIMSE），太阳能转化与环境催化（SEECAT）实验室负责人，主要研究方向是纳米催化以及能源材料，以第一作者或通讯作者在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed、Adv. Mater、ACS Energy Lett., Adv. Funct. Mater, Small, J. Mater. Chem. A、Solar RRL等学术期刊上发表论文>20篇, 担任化工旗舰期刊Chemical Engineering Journal以及Molecular Catalysis杂志青年编委，Frontiers in Nanotechnology客座编辑，并长期担任Environmental Science & Technology, Catalysis Science & Technology, Journal of Hazardous Materials等学术期刊的受邀审稿人。
2022年获国际先进材料协会（IAAM，瑞典）授予IAAM 青年科学家奖章。课题组链接(
www.x-mol.com/groups/seecat
)，SEECAT课题组现依托MIMSE境外招收有共同研究兴趣的博士后和博士研究生，请发送CV到邮箱: [email protected], 并咨询详细信息。
吴永豪教授，香港城市大学，能源与环境学院，低碳与环境影响研究中心主任，可再生能源催化实验室负责人。迄今为止，已在主流学术期刊发表相关论文>200篇（包括Nature Catalysis, Nature Communications, Journal of the American Chemical Society，Angewandte Chemie International Editions, Advanced Materials, Chemical Society Reviews, Energy & Environmental Science等）。论文已被引用>19000次，H-index为62。目前担任Journal of Materials Science: Materials in Electronics 主编。鉴于在光电催化领域的贡献，于2013年成为首个非日本籍的Honda-Fujishima奖获得者，并于2018年获得了日本化学会的杰出讲座奖（Distinguished Lectureship Award）。也于2016年被英国皇家化学学会的Journal of Materials Chemistry A评选为Emerging Investigator。2019年，鉴于在亚太地区积极地推进人工光合作用方面的基础研究，荣获2019年亚太经合组织（APEC）科学创新、研究及教育奖（ASPIRE）。
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