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(qiáng)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(tuán)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(qiáng)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(tuán)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(qiáng)的機(jī)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。