纪红兵课题组：功函数调控与异质结构建相结合促进光电化学分解水制氢

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光电化学电池是未来制氢的关键技术之一，其中钒酸铋（BiVO4）作为一种可利用可见光且能带位置较为合适的光电阳极材料受到广泛关注。科学家们先后通过增强BiVO4的吸光效率、电子空穴对分离效率和催化分解水效率从而提升BiVO4的分解水性能。当前大部分研究主要关注于BiVO4光阳极在高偏压下的光电流密度与光电转化效率，这会导致其工作效率被较高的偏压所限制。因此，若找到一种能解除限制BiVO4在低电压下光电流密度的方法，将会极大地提升BiVO4光电极的分解水工作效率，并对未来的光电极设计思路提供参考。

        基于此，中山大学化学学院纪红兵教授与北京大学深圳研究生院杨世和教授合作，创新性地通过对BiVO4光电阳极材料进行功函数调控与异质结的构建，提升了BiVO4电极在低偏压下的分解水光电流密度，从而极大地提高了BiVO4光电极分解水的效率。

        这种方法首先对合成出的BiVO4光电极进行光电化学研究，发现表面缺陷能级的存在将会导致费米钉扎效应的出现，从而限制了BiVO4光电极的光电压（Vph），使其在低电压下的电流密度受到制约。因而对其进行微量的钼（Mo）掺杂，在不显著地改变BiVO4费米能级位置的情况下，降低表面缺陷能级的影响，从而提升BiVO4的Vph。

        为了进一步提升BiVO4光电极在低偏压的光电流密度，使用了氮化碳（C3N4）与BiVO4进行异质结的构建。但在研究过程中发现，氮化碳与进行Mo掺杂改良过的BiVO4电极复合之后，其能带偏移会使得电子空穴对的复合加剧，从而降低了整个电极的光电性能。因此，在文中对C3N4进行硼（B）的掺杂，使C3N4的费米能级向价带移动，巧妙地将原本加剧电极电子空穴复合的异质结构，转化为能促进电子空穴分离的异质结构，从而有效地提升了钒酸铋在低电压下的电子空穴分离能力。

        最后，将NiFeOx电催化剂作为助催化剂，通过光电化学沉积生长在B-C3N4/Mo-BiVO4光电极上，提升光电极在催化分解水中的催化效率。这种方法能使电催化助剂首先生长在电极材料的光活性位点上，显著地提升材料分解水的能力。经过NiFeOx电催化助剂的改进，最终整个电极的半电池效率（ABPE）达到了2.67%，且达到这个效率所需要的偏压仅为0.54 V vs. RHE。

        根据不同光电材料独有的特性，找到不同光电材料的缺陷，设计“对症下药”的解决方案，从而实现光电催化性能的大幅提升和机理的深入理解，是光电催化研究中不可绕开的过程。该研究成果的创新亮点在于发现并解决了BiVO4因表面缺陷电子存在从而降低光电压限制光电流的这一普遍问题；同时通过对表面功函数的分析与调控，改变异质结能带结构，从加剧电子空穴对复合的结构转化为增强电子空穴对分离的结构；为将来下一代光电极的设计构建提供了参考依据和新的思路。

        上述研究进展中山大学化学学院为第一完成单位，中山大学化学学院纪红兵教授和北京大学深圳研究院杨世和教授为共同通讯作者。该研究进展得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省自然科学基金、广东省珠江人才计划本土创新团队项目、广东省教育厅特色创新计划等项目的大力支持。

        文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-11586-y

纪红兵，中山大学化学与化学工程学院教授，博士生导师。1988-1997年先后在华南理工大学获得学士学位和博士学位，博士毕业后留在华南理工大学任教，2007年作为百人计划教授引进到中山大学工作，目前为中山大学精细化工研究院院长、中山大学惠州研究院院长、大亚湾石油化工研究院院长。主要从事绿色化学、绿色化工技术及化工园区管理等方面的研究。2012年被中国石油和化学工业联合会授予“中国石油和化工园区优秀管理者”称号，2013、2014年获中国产学研合作创新奖的个人奖和单位奖，2014年度获国家科学技术进步奖二等奖1项（第二完成人），入选2014年国家杰出青年科学基金获得者和首批“广东特支计划”科技创新领军人才，入选2015年“珠江学者”特聘教授，获得2014年国务院特殊津贴。在国内外期刊上发表论文286篇，完成著作5本，已申请专利107件，其中授权中国专利52件，授权美国专利1件，超过10件的专利成果得以转化。

杨世和教授是深圳市太阳能燃料开发创新孔雀团队带头人，海外高层次人才引进计划(##计划)专家，H指数84 (Google Scholar Citations)，在Nat. Mater., Nat. Nanotech., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem.等一流期刊发表大量高水平文章。从2014年至今，杨教授团队在J. Am. Chem. Soc. (4篇), Angew. Chem. (5篇), Energy Environ. Sci. (5篇), Adv. Mater. (4篇), Adv. Energy Mater. (2篇), Adv. Funct. Mater. (4篇), Nano Lett. (5篇), ACS NANO (2篇), Nano Energy (5篇), Chem. Mater. (2篇) 这些期刊上发表论文共计39篇。