研究人员提出了一种高效太阳能水分解的新方法。ACS 应用材料公司的新论文中展示的方法涉及修改钒酸铋阳极以增强电荷分离。该方法提供了一种简单的修改路线和有前途的设计策略。

光电化学水分解

迫切需要逐步淘汰排放温室气体的化石燃料，这促进了对替代燃料生产的研究。氢是一种丰富的、接近碳中和的可再生资源，可以满足脱碳社会的能源需求。

光电化学水分解 (PEC) 是一种从地球上最丰富、最清洁和可再生的资源之一——水生产氢气的绿色战略。光电化学材料用于从太阳中收集光能，然后将水分解成其组成部分——氢和氧。然后回收氢气以生产增值产品，例如电力或燃料，氧气作为反应的清洁副产品释放。

光电阳极

在光电化学水分解系统中，材料的选择对于确保反应效率至关重要。多年来，已经探索了许多用于光阳极的材料，最早报道的材料是 TiO 2。已研究用于 PEC 器件的其他光催化剂包括 ZnO、Fe 2 O 3、WO 3和 BiVO 4（钒酸铋）。

其中，单片BiVO 4已被证明是一种有吸引力的半导体材料，具有窄带隙和适合反应的带边位置。然而，这种材料具有局限性，主要是其不利的电子空穴复合率和缓慢的水氧化动力学。这些缺点导致反应的实际效率低于其理论效率。

使用复合材料是克服这种光催化材料缺点的一种策略。研究开发了功能材料的复合材料，包括CoOOH/BiVO 4和Co 3 O 4 /BiVO 4。将功能材料结合到复合材料中可以改善阳极的电荷分离和动力学，促进更有效的水分解。

近年来，研究人员研究了使用钴、镍和铁等金属配合物进行 PEC 反应。这些材料因其作为催化剂的增强性能、丰富的结构和多样化的功能而引起了人们的关注。

这项研究

尽管越来越多的研究将金属配合物结合到 BiVO 4光阳极中以制造具有提高水分解反应效率的复合材料，但关于将 Ni-NDAD 层结合到 BiVO 4复合材料中的研究很少. 该团队采用长期水热法生产BiVO 4 /Ni-DAD复合光阳极。

与硼酸钾电解质中的纯 BiVO 4相比，制备的材料显示出优异的光电流密度。得到的数字是纯BiVO 4显示的数字的三倍多。分析表明，活性位点数量的增加和 Ni-NDAD 的超薄结构有助于增强 BiVO 4 /Ni-NDAD 复合材料中的电荷分离。

透射电子显微镜显示 BiVO 4和 Ni-NDAD 层之间存在紧密的相互作用，这促进了有效的电荷转移。作者指出，这可能有利于高效 PEC 系统的设计。Ni-NDAD在将光能转化为电能方面起着关键作用。

该研究的另一个重要发现是复合材料的催化活性增强。在过硫酸盐中对抗生素金霉素的 PEC 催化活性进行了评估。研究中提出的新型光催化剂促进了该抗生素的降解活性，并在三十分钟内达到了89.19%。这项活动是有益的，因为人们越来越关注抗生素向环境中的释放和耐药细菌的增加。

作者研究了所提出材料的稳定性，这对于实际应用至关重要。他们对金霉素降解进行了三个重复实验，表明光催化活性没有显着降低。SEM 图像和 XRD 图案几乎没有变化，表明材料的稳定性。

总之

该研究展示了一种用于 PEC 水分解应用的有前途的光阳极，它结合了 BiVO 4和 Ni-NDAD。与纯 BiVO 4光阳极相比，研究中提出的制备材料显示出显着增强的电荷分离，并能提供高光电流密度，改进了当前的 PEC 水分解技术。

光电化学水分解有可能为绿色氢生产提供清洁和可持续的途径，有助于到 2050 年实现全球净零排放目标。虽然该领域仍然存在重大挑战，但本研究论文提出了一种创新的低成本，以及改进 PEC 水分解技术的高效方法。