光电化学（PEC）水分解是一种将太阳能直接转化为氢的理想途径之一，在低碳社会中引起了越来越多的关注。BiVO₄具有合适的带隙、较深的价带位置和良好的水溶液稳定性，近年来在PEC水分解中已被大量研究。但是光生电子空穴复合率高一直是制约该材料发展的瓶颈问题。如何有效提高BiVO₄光阳极的光生电子空穴分离率是推动该领域发展亟需解决的问题。根据d-带中心理论，在半导体光催化剂晶格中引入适当的应变可以调节能带结构和载流子迁移率，以及反应物或中间体的吸附能，对提高光催化性能具有很大潜力。

为此，西北工业大学黄维院士团队王松灿教授课题组采用简单的金属有机沉积方法，利用离子半径与Bi离子相近的3-硝基邻苯二甲酰亚胺占据Bi位置，经高温煅烧后在BiVO₄光阳极中形成Bi空位，从而引起局部晶格应变（Str-BVO），显著促进光生电子空穴的分离。优化的Str-BVO光阳极在含有Na₂SO₃空穴牺牲剂的缓冲液中表现出6.20 mA cm⁻²的光电流密度，体相电子空穴分离效率接近100%。实验表征和密度泛函理论 (DFT) 计算表明，显著增强的电荷分离效率是由于内部晶格应变引起的 V-O 四面体电子结构的变化。由于Bi 空位引起的晶格应变导致少量 V-O 四面体扭曲，从而增加大多数正常 V-O 四面体的反键态能量，产生更多的电子空位。因此，显著促进了 BiVO₄ 体相中电子和空穴的分离。该工作揭示了 Bi 空位诱导应变促进电荷分离以实现高效太阳能燃料生产的机制，为高效光阳极的设计提供新思路。

图1 BiVO₄光阳极应力调控促进光电催化分解水的示意图

研究不仅介绍了一种在BiVO₄晶格引入铋空位诱导应力调控的新方法，还揭示了V-O多面体对电荷分离的作用机制，有望进一步提升BiVO₄光阳极的应用潜力，为高效绿色制氢领域的发展做出更大的贡献。研究成果以“Bismuth Vacancies Induced Lattice Strain in BiVO₄ Photoanodes Boosting Charge Separation For Water Oxidation（用于水氧化BiVO₄光阳极中铋空位诱导晶格应变增强电荷分离）”为题发表在高水平学术期刊Advanced Energy Materials上。论文第一作者为柔性电子研究院二年级博士研究生刘博言，通讯作者为黄维院士和王松灿教授。

近年来，课题组在高效光（电）催化分解水制氢方面开展了系列研究，相关成果发表在Nature Communication、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、ACS Catalysis等国际高水平期刊上。研究工作得到了国家自然科学基金、深圳市科技计划、中央高校基本科研业务费等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202403835

（文字：刘博言 审核：王学文）