[发明专利]一种富含表层氧空位的钒酸铋电极及其制备方法和应用

说明书

本发明属于光电化学池半导体电极技术领域，公开了一种富含表层氧空位的钒酸铋电极及其制备方法和应用，该电极包括导电衬底层和钒酸铋层，钒酸铋层由光刻蚀改性得到；先采用金属有机物分解的方法在导电衬底上生长出钒酸铋颗粒，之后将其浸没在含有亚硫酸盐的碱性缓冲溶液中，同时施加一定时间和一定波长及强度的光照，即完成整个电极的制备；该电极可组装成光电化学池用于光电化学池光解水制氢。本发明在钒酸铋电极表层处引入氧空位，有效地增加固液界面的电荷分离效率，从而提升了光电化学池的光电转化效率，且操作简单，引入氧空位的效率高，同时，由于不需要借助于真空设备，操作成本极低，有利于大规模生产。

技术领域

本发明属于光电化学池半导体电极技术领域，具体来说，是涉及一种钒酸铋电极及其制备方法和应用。

背景技术

能源与环境已经成为全球关注的焦点性问题，光电化学池光解水制氢可以将太阳能转化为氢能储存起来¹，而氢气作为清洁能源能够有效地缓解环境问题。因此，光电化学池光解水制氢的作用不容忽视²。

在光电化学池光解水制氢的研究中，单斜型钒酸铋是目前应用最为广泛的具有可见光响应的半导体阳极材料^3-4。但是，钒酸铋的光电流离理论值依然存在很大的差距，主要归因于较差的电荷传输和载流子分离能力⁵。杂质元素的体相掺杂可以有效地提高钒酸铋的多数载流子浓度，从而提高电荷传输能力，但是这种方式不可避免地会引入新的复合中心⁶。体相引入氧空位也可以得到相似的效果，但是，体相氧空位的含量不易控制。适当的氧空位含量可以提高钒酸铋的性能，但是过多的氧空位也会成为复合中心⁷。表层或亚表层的氧空位可以有效地提高半导体阳极的光电性能，同时可以避免体相复合中心的生成⁸。对于钒酸铋而言，表层氧空位的引入方法极少。

因此，引入表层氧空位是目前钒酸铋薄膜电极亟需解决的关键性科学技术难题。

(1)Chang,X.X.；Wang,T.；Gong,J.L.,CO₂ photo-reduction:insights into CO₂activation and reaction on surfaces of photocatalysts.EnergyEnviron.Sci.2016,9(7),2177-2196.

(2)Kobayashi,H.；Sato,N.；Orita,M.；Kuang,Y.；Kaneko,H.；Minegishi,T.；Yamada,T.；Domen,K.,Development of highly efficient CuIn_0.5Ga_0.5Se₂-basedphotocathode and application to overall solar driven water splitting.EnergyEnviron.Sci.2018,11(10),3003-3009.

(3)Wang,S.；Chen,P.；Bai,Y.；Yun,J.H.；Liu,G.；Wang,L.,New BiVO₄ DualPhotoanodes with Enriched Oxygen Vacancies for Efficient Solar-Driven WaterSplitting.Adv.Mater.2018,30(20),1800486.

(4)Han,H.S.；Shin,S.；Kim,D.H.；Park,I.J.；Kim,J.S.；Huang,P.S.；Lee,J.K.；Cho,I.S.；Zheng,X.L.,Boosting the solar water oxidation performance of a BiVO₄photoanode by crystallographic orientation control.Energy Environ.Sci.2018,11(5),1299-1306.