氫能——科學(xué)家提出了分解水制氫的新方法

香港城市大學(xué)的一個研究小組通過向金屬氧化物催化劑中添加磷，成功地在低壓下調(diào)節(jié)了電荷載體的不良傳輸。

金屬氧化物是光電化學(xué)（PEC）水分解制氫替代燃料的一種有前途的催化劑。然而，它們的有效性在低電壓下受到限制。添加磷可以減少水分解過程中的能量損失。他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在科學(xué)期刊《自然通訊》上。

釩酸鉍（BiVO4）是一種金屬氧化物半導(dǎo)體，對紫外線和可見光都有反應(yīng)，被視為光電化學(xué)水分解的最佳光催化劑，該過程產(chǎn)生氫氣作為替代燃料。

研究人員解釋道：“在光電化學(xué)水分解過程中，氫氣和氧氣由水產(chǎn)生，使用陽光和專用半導(dǎo)體作為光催化劑，如釩酸鉍。利用光能和額外的小電壓供應(yīng)，光催化劑將水分子直接分解成氫氣和氧氣。然而，如果電壓供應(yīng)太低，則不能有效地提取大部分光激發(fā)電荷載流子，導(dǎo)致能量損失并影響水分離效率。這種不良的電荷傳輸主要是由于電荷載流子的陷阱態(tài)和小極化子的形成。”

天然缺陷和極化子的形成阻礙電荷載流子傳輸

利用太陽能，半導(dǎo)體中的電子被激發(fā)，可以向上反彈并穿過帶隙從價帶到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生電流流動。但是半導(dǎo)體的固有缺陷會引入“陷阱態(tài)”，它會捕獲光誘導(dǎo)電子和帶正電的空穴，直到它們重新結(jié)合，阻止它們自由移動成為電流。

此外，當(dāng)電子在半導(dǎo)體內(nèi)被激發(fā)時，其電荷可以引起晶格膨脹，將電子限制在晶格單元內(nèi)，并形成一個小極化子，這可以被視為一種強烈俘獲電子的深阱狀態(tài)。它需要熱振動能量（稱為極化子跳躍激活能）從一個位置跳到另一個位置。因此，小極化子的形成對電荷遷移率有不利影響，這在過渡金屬氧化物中很常見。

研究團隊接受了這一挑戰(zhàn)，尋找提高電荷遷移率的方法。他們發(fā)現(xiàn)，通過用磷摻雜修飾釩酸鉍光陽極，電荷遷移率比原始光陽極高2.8倍。這也大大提高了電荷分離效率，在0.6V時高達(dá)80%，比原始電荷分離效率強約1.43倍，在1.0V時高至99%。

研究人員表示：“我們發(fā)現(xiàn)，摻入磷后，釩酸鉍光陽極的極化子跳躍激活勢壘降低。這一點通過我們的理論和實驗研究得到了證明。”

磷摻雜的協(xié)同效應(yīng)

該團隊的實驗和測量還證實，磷摻雜鈍化了釩酸鉍表面上固有形成的陷阱態(tài)，從而增加了用于分解水分子的開路光電壓。

他們表明，通過同時介導(dǎo)極化子跳躍勢壘和陷阱狀態(tài)，摻雜磷的釩酸鉍中的電荷傳輸?shù)玫搅烁纳疲瑥亩诘蛪合乱肓烁咝У墓怆娀瘜W(xué)水分解制氫。協(xié)同效應(yīng)允許磷摻雜的釩酸鉍在0.6V下表現(xiàn)出2.21%的創(chuàng)紀(jì)錄的高光子-電流轉(zhuǎn)換效率。

研究人員指出：“我們希望對釩酸鉍性能增強的機制理解將為許多光活性金屬氧化物的陷阱態(tài)鈍化和極化子跳躍提供關(guān)鍵見解，更重要的是，將為高效制氫提供一個潛在的選擇，以幫助實現(xiàn)碳中和。”

這項工作最突出的是太陽能和電力的聯(lián)合輸入，以從水中釋放氫氣。