我室太阳能研究部太阳能制储氢材料与催化研究组（DNL1621组）章福祥研究员团队在钒酸铋（BiVO4）光阳极研究领域取得新进展。团队基于密度泛函理论（DFT）计算，理性设计合成了钼（Mo）掺杂的BiVO4光阳极，解决了金属热解法（MOD）制备BiVO4光阳极中存在相不纯、电荷复合严重等导致活性不高的问题，进而组装了太阳能至氢能（STH）转化效率达4.7%的光伏-光电（PV-PEC）耦合叠层器件。
单斜相BiVO4具有可见光响应宽、稳定性好等优点，已成为“明星级”水氧化催化剂之一。章福祥团队前期发现，MOD法制备的BiVO4光阳极中微量四方相杂质残存是限制其水氧化性能的根本结构因素（Angew. Chem. Int. Ed.，2023）。在此基础上，本工作中团队通过理论模拟筛选与实验相结合，优化出Mo离子掺杂的高性能光阳极，实现了四方相的抑制生成与高载流子迁移率的兼顾，提升了其光电催化性能，最终与光伏耦联，实现无偏压下光驱动的全分解水制氢，STH效率达到4.7%，为规模化应用奠定了材料与实验基础。
章福祥团队长期聚焦单斜相BiVO4材料在光催化和光电催化分解水制氢中的应用基础研究。在发现BiVO4的{010}和{110}晶面间存在光生电荷分离效应（Nat. Commun.，2013）的基础上，团队发展了双助催化剂选择性沉积协同促进电荷分离和表面催化的新策略，进而构筑了系列以BiVO4为放氧光催化剂的“Z”机制全分解水制氢体系，不断提高了在420 nm可见光激发下的制氢表观量子效率，分别达到6.8%（Angew. Chem. Int. Ed.，2015）、10.3%（Joule，2018）、12.3%（Nat. Commun.，2022）、16.8% （Joule，2024）和22.8% （Nat. Commun.，2025）。
相关研究成果以“Addressing phase instability and charge recombination in pyrolysis-synthesized BiVO4 via DFT-guided Mo doping for enhanced performance”为题，发表在《国家科学评论》（National Science Review）上。该工作的共同第一作者是中国科学技术大学与大连化物所联合培养博士研究生张赛楠与我室博士后李东辉。上述工作得到了国家自然科学基金、中国科学院B类先导专项“能源电催化的动态解析与智能设计”、大连市高层次人才创新支持计划等项目的资助。（文/图 张赛楠）
文章链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag148
