「澳科学院院士/欧洲科学院院士」王连洲，新发Nature子刊！
学术
2024-11-13 08:18
广东
太阳能驱动的光电催化能量转换(PEC)在生产太阳能燃料以实现碳中和方面起着至关重要的作用。半导体材料如Si、BiVO4和Fe2O3已经得到了深入的研究，但是太阳能转换效率低仍然是PEC工艺面临的主要挑战。光电极中光生电子-空穴对的高效、有效电荷分离和转移(CST)是后续表面反应的先决条件。通常，CST过程发生在空间电荷层，这是由于电解质和半导体基光电极界面的带弯曲所致。然而，空间电荷层的宽度小于半导体中典型的光穿透深度，导致大部分光生电子-空穴对的重组，限制了太阳能转换效率。建立一个内建电场(IEF)是为半导体中的CST提供额外驱动力的有效方法。具有良好偶极矩的半导体，例如铁电材料，通常表现出很强的IEFs，然而它们的大带隙和高电阻阻止了铁电光电极获得良好的太阳能能量转换效率。而对于窄带隙半导体材料，如BiVO4和Fe2O3，如何在材料中创建一个IEF仍然具有挑战性。近日，昆士兰大学王连洲和王志亮等利用理论计算证实了在BiVO4中引入氧空位(Vo)后围绕金属和氧发生电子云的重新分布，正电荷和负电荷之间发生位移。通过比较结构中Bi-O和V-O对的距离，表明Vo的引入打破了VO4和BiO8多面体中的对称性。另外，结构的不对称性和电子的重新分布将形成偶极子，并且Vo浓度增加导致偶极矩逐渐增强。在实验上，研究人员制备了具有Vo的BiVO4 (EBVO)，其在−150 V极化处会产生一个从光电极表面指向载体的电场，从而使负端的缺陷偶极子向表面移动，从而降低表面电位。此外，排列整齐的缺陷偶极子将在整个薄膜厚度产生一个去极化电场，与外极化电场方向相反。在外极化时，随机分布的偶极矩有效地对齐，导致IEF的建立。通过进一步引入表面助催化剂NiFeOx，获得了6.3 mA cm-2的水氧化光电流密度，稳定性达30小时以上。此外，NiFeOx/EBVO-(-150)光电极显示出高甲醇产量的有效甲烷部分氧化能力，在1.0 VRHE下甲醇的产率和法拉第效率分别为6.04 μmol h-1和6%，这进一步证实了通过缺陷偶极子加速缓慢的CST，以及利用表面辅助催化剂引导表面反应途径，为光催化甲醇和氢气生产铺平道路。总的来说，该项工作为光电催化反应的合理设计提供了方向，有利于未来高效太阳能驱动的有价值的化学品生产。Oxygen vacancy induced defect dipoles in BiVO4 for photoelectrocatalytic partial oxidation of methane. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-53426-8🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
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