  第一作者：Xianlong Li, Zhiliang Wang通讯作者：Lianzhou Wang，Zhiliang Wang通讯单位：昆士兰大学 研究背景 半导体中电荷分离和转移的驱动力对太阳能转换非常重要。研究人员发现，在钒酸铋（BiVO4）中，氧空位会产生缺陷偶极子，这会改善光电极的电荷分离和转移能力。通过对光电极施加-150伏的极化，电荷分离和转移效率可以提高到90%以上。此外，在光电极上加载镍铁氧化物催化剂后，光电极的光电流密度可达到6.3 mA cm-2。研究人员还发现利用产生的空穴进行甲烷部分氧化可以生成甲醇，并且法拉第效率约为6%。这些发现对于将温室气体转化为有价值的化学产品具有重要的意义。 图文解析  图 1：氧空位的形成诱导了缺陷偶极子的产生。Bi、V 和 O 原子分别用紫色、蓝色和红色小球表示。b BiVO4 与 VO 的电荷密度差。为了清楚地显示 BiVO4 中的电荷分布，Bi 原子和 V 原子被隐藏起来，只留下 O 原子（红球）在其晶格位点上。VO 位点用灰球表示。c 纯结构和 VO 修饰结构中带有 VO4（绿色）和 BiO8（灰色）单元的 BiVO4 晶体。d 不同 VO 浓度的 BiVO4 中计算得到的偶极矩。e、f BVO（黑色）和 EBVO（蓝色）的 Bi L3-edge 和 V K-edge 的 k2 加权 EXAFS 结构以及傅里叶变换。刻度线为 1 微米。(l) 不同电压下 EBVO 欠极化的 I-V 曲线。  图 2 ：缺陷偶极子 PEC 性能。a 在不同外部偏压下，BVO 和 EBVO 在 1.23 VRHE 时的电荷分离和转移光电流密度（jCST）。b BVO（黑色）、EBVO（蓝色）和 EBVO-（-150）（红色）样品的 TRPL。c 外部极化引起的 IEF 如何调节 CST 过程的总驱动力（Etotal）的示意图。阳离子（+）对和电子（-）对用来示意性地显示空间电荷层是如何随着 Ebi 的产生而产生的。误差条为每个数据点三次测量的平均值。  图 3 ：NiFeOx/EBVO 光电极的水氧化性能。a NiFeOx/EBVO-(-150) 光电极的形貌。b EBVO-(-150) 上 NiFeOx 非晶层的 HRTEM。d 和 (e) BVO（黑色）、EBVO（蓝色）、EBVO-(-150) （红色）和 NiFeOx/EBVO-(-150) （紫色）光电极在 1.23 VRHE 下的水氧化光电流密度和相应的 IPCE。f 在 1.23 VRHE 下测试的 NiFeOx/EBVO-(-150) 光电极的稳定性（紫色）和相应的氧气 FE（橙色）。 总之，该研究证明了空位可以诱导金属氧化物半导体中的缺陷偶极，并有效地调节金属氧化物半导体非晶电极的电荷分离和转移过程。以 BiVO4 为例，在 150 V 极化条件下，缺陷偶极极大地提高了电荷分离和转移效率。通过进一步引入 NiFeOx 表面催化剂，水氧化光电流密度达到了 6.3 mA cm-2，并且稳定在 30 小时以上。此外，NiFeOx/EBVO-（-150）光电极还显示出有效的甲烷部分氧化能力和较高的甲醇产量。这些发现为合理设计光电催化反应提供了方向，从而实现高效的太阳能驱动温室气体减排和有价值的化学品生产。 参考文献： Li, X., Wang, Z., Sasani, A. et al. Oxygen vacancy induced defect dipoles in BiVO4 for photoelectrocatalytic partial oxidation of methane. Nat Commun 15, 9127 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-53426-8理论计算 仿真模拟 认准学研计算，专业靠谱有保障 一对一联系  黄老师 18316962472 你点的每个在看，我都认真当成了喜欢！ |
