在我国提出“双碳”战略的当下，氢能作为化石燃料的清洁替代品被广泛关注。然而，目前全球95%以上的氢气生产来自化石燃料，这带来了不可忽视的碳排放。因此，开发一种绿色制氢技术对维持人类社会的可持续发展具有重要意义。通过光电化学（PEC）水分解技术将太阳能转化为氢气，被认为是极具前景的零排放制氢途径之一。钒酸铋（BiVO₄）由于具有合适的带隙和良好的物理性质而被认为是一种最有前景的PEC分解水光阳极材料。然而，BiVO₄体相中存在严重的光生电荷复合而导致太阳能-氢气转换效率低，成为制约其从实验室迈向实际应用的瓶颈难题。

鉴于此，西北工业大学黄维院士团队王松灿教授课题组和暨南大学朱明山教授合作研发了一种新的电解液配方，通过电沉积制备了Bi_34.7O₃₆(SO₄)₁₆ 前驱体薄膜，在转换成BiVO₄光阳极后在体相中形成了浓度呈梯度分布的氧空位，获得的BiVO₄光阳极标记为ΔO_v-BVO。经优化的ΔO_v-BVO光阳极在含有Na₂SO₃作为空穴牺牲剂的缓冲液中获得了高达7.2 mA cm^-2的光电流密度，体相电荷分离效率接近100%。如图1所示，实验表征和密度泛函理论 (DFT) 计算表明，BiVO₄光阳极体相中的梯度氧空位诱导强偶极场，显著增强了电子空穴分离率。

图1. BiVO₄光阳极体相氧空位的梯度分布和诱导强偶极场

研究发现，具有梯度氧空位BiVO₄光阳极的起始电位较低，能够与光阴极或太阳能电池结合，构筑无偏压光解水制氢器件。如图2所示，我们进一步设计了导电网格结构将多片具有梯度氧空位的BiVO₄光阳极拼接成21 cm × 21 cm （有效光照面积：306.25 cm²）的大面积光阳极，和商业化硅太阳能电池（Si PV）串联，构筑了基于BiVO₄-Si PV的大面积人工树叶，在自然光照下实现了高效分解水制氢，太阳能-氢气转换效率为2.7%（其中，小面积器件的太阳能-氢气转换效率高达8.4%）。系统研究了光阳极大面积制备时的性能衰减规律和影响因素，为高性能、大面积光阳极的制备提供实验基础和理论依据。通过生命周期计算（LCA）深入分析了太阳能制氢对环境的影响和经济效益，推动高效清洁制氢领域的发展。研究成果以“A standalone bismuth vanadate-silicon artificial leaf achieving 8.4% efficiency for hydrogen production”为题发表在Nature Communications上。论文第一作者为柔性电子研究院博士研究生刘博言，通讯作者为西北工业大学黄维院士、王松灿教授和暨南大学朱明山教授。

图2. BiVO₄-PV人工树叶实现太阳能分解水

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 Communications、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://www.nature.com/articles/s41467-025-58102-z

（文字：刘博言 审核：王学文）