实现中性pH、温和环境下高效、稳定的光电催化（PEC）分解制氢被认为是最有希望生产清洁可再生能源的途径之一。但由于中性电解质中OH-浓度较低，表界面反应动力学相比于碱性电解质更加缓慢。BiVO4作为一种新型的PEC半导体材料之一正受到人们的广泛注意，但严重的光生载流子复合和光腐蚀限制了其性能和稳定性。为此，内蒙古大学化学化工学院、能源材料化学研究院武利民教授、王蕾教授课题组和贺进禄研究员课题组通过调控电解质组成，原位组装超薄助催化剂，控制半导体和助催化剂界面处的动态平衡，实现在无牺牲试剂下半导体高达600小时的长期耐久性。近日，相关成果在国际知名期刊《科学进展》（Science Advances）在线发表。

图1  论文发表截图

科研团队首次通过实验证明了B原子原位取代BiVO4中V元素（图2），进一步引入Ni离子，促进B-O键的形成，提高析氧性能，获得的硼酸盐物种可以通过加速质子耦合电子转移而作为催化剂活性的促进剂（图3）。原位组装的NiB催化剂负载于BiVO4，在模拟太阳光及1.23 VRHE电位下，获得6mA cm-2的光电催化性能。更为重要的是，该NiB和BiVO4半导体达到接近600小时的光电催化抗腐蚀性能（图4），是BiVO4基光阳极在中性电解质中最好的稳定性能。IMPS、TAS动力学表征（图5）及非绝热分子动力学与时域密度泛函理论计算（图6）等证明了NiB助催化剂的负载加速了半导体光生载流子的分离与转移，缓解了半导体界面处的载流子复合，揭示了半导体光生载流子寿命的延长机理。该研究可以有效推动PEC水氧化半导体和电解质动态界面的前沿发展。

图2  恒电位极化过程中B取代V电化学表征

图3  原位NiB助催化剂电化学合成与表征

图4  中性条件下NiB/BiVO4稳定性能测试结果，获得600小时稳定性能

图5  NiB/BiVO4在中性电解质中光生载流子分离与转移动力学测试表征

图6  动力学计算分析

该研究得到国家自然科学基金创新群体、亚洲博彩平台推荐草原英才计划、亚洲博彩平台排名自然科学基金、内蒙古大学青年科技英才培育项目、内蒙古大学“骏马计划”高层次人才启动金等项目的支持。

论文链接DOI: 10.1126/sciadv.ade4589