光电化学（PEC）分解水可利用半导体光催化剂将太阳能转化为氢气，是一种极具潜力的绿色制氢技术。光阳极上的析氧反应是一个四电子转移过程，动力学上极其缓慢，是制约PEC分解水的速度控制步骤。因此，研发高效、稳定的光阳极材料对推动PEC分解水的规模化应用具有重要意义。钒酸铋（BiVO₄）因具有合适的能带结构，被认为是一种极具前景的光阳极材料。经过多年的发展，尽管BiVO₄光阳极的析氧活性已被大幅提高，但BiVO₄光阳极在光电催化过程中由于V⁵⁺离子的溶解而导致光稳定性差，已成为制约其从实验室走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和昆士兰大学王连洲院士合作开发了一种利用光电化学处理法构筑 (Co_0.91V_0.09)₃(BTC)₂金属有机框架（CoV-MOF）配体缺陷的策略。由于配体缺陷的存在，在CoV-MOF中形成大量未配对位点，能够增强BiVO₄表面V⁵⁺离子和CoV-MOF之间的键合，从而有效抑制了BiVO₄中V⁵⁺在水分解过程中的溶解，显著提高了光稳定性。经过优化的Co₃O₄/CoV-MOF/BiVO₄光阳极在1.23 V_RHE 偏压下具有6.0 mA cm^-2的高光电流密度，并且能够在0.6 V_RHE下稳定运行500小时。如图1所示，电子顺磁共振（EPR）测试揭示了光电化学处理构筑出具有配体缺陷的CoV-MOF。开尔文探针力显微镜（KPFM）与稳态荧光光谱分析表明具有配体缺陷的CoV-MOF能够显著提升BiVO₄光阳极的界面电荷传输与分离能力。

图1.光电化学处理对于BiVO₄光阳极界面电荷传输与分离的影响

密度泛函（DFT）理论计算发现，CoV-MOF中的配体缺陷有效增强了BiVO₄与CoV-MOF之间的V-O键能（由0.87 eV提升至2.44 eV）。态密度（DOS）分析进一步揭示了V-O键更强的成键状态。通过调控BiVO₄与CoV-MOF之间的界面键强度，我们成功抑制了V⁵⁺离子从BiVO₄晶格中的溶解，从而获得了用于光电化学水分解的超稳定光阳极。研究成果以“Strengthening Bonding Interaction of a (Co_0.91V_0.09)₃(BTC)₂ Metal−Organic Framework with BiVO₄ Photoanodes Enabling Ultrastable Photoelectrochemical Water Oxidation”为题发表在ACS nano上。论文第一作者为柔性电子研究院博士研究生许良诚，通讯作者为西北工业大学黄维院士、王松灿教授和昆士兰大学王连洲院士。

图2. 光稳定性提升的机理分析

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（2篇）、Angewandte Chemie International Edition（2篇）、Advanced Materials（3篇）、Advanced Energy Materials（1篇）、ACS Nano（1篇）、ACS Catalysis（1篇）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/10.1021/acsnano.5c01111

(文字：许良诚 审核：王学文）