氢能——科学家提出了分解水制氢的新方法

香港城市大学的一个研究小组通过向金属氧化物催化剂中添加磷，成功地在低压下调节了电荷载体的不良传输。

金属氧化物是光电化学（PEC）水分解制氢替代燃料的一种有前途的催化剂。然而，它们的有效性在低电压下受到限制。添加磷可以减少水分解过程中的能量损失。他们的发现发表在科学期刊《自然通讯》上。

钒酸铋（BiVO4）是一种金属氧化物半导体，对紫外线和可见光都有反应，被视为光电化学水分解的最佳光催化剂，该过程产生氢气作为替代燃料。

研究人员解释道：“在光电化学水分解过程中，氢气和氧气由水产生，使用阳光和专用半导体作为光催化剂，如钒酸铋。利用光能和额外的小电压供应，光催化剂将水分子直接分解成氢气和氧气。然而，如果电压供应太低，则不能有效地提取大部分光激发电荷载流子，导致能量损失并影响水分离效率。这种不良的电荷传输主要是由于电荷载流子的陷阱态和小极化子的形成。”

天然缺陷和极化子的形成阻碍电荷载流子传输

利用太阳能，半导体中的电子被激发，可以向上反弹并穿过带隙从价带到导带，从而产生电流流动。但是半导体的固有缺陷会引入“陷阱态”，它会捕获光诱导电子和带正电的空穴，直到它们重新结合，阻止它们自由移动成为电流。

此外，当电子在半导体内被激发时，其电荷可以引起晶格膨胀，将电子限制在晶格单元内，并形成一个小极化子，这可以被视为一种强烈俘获电子的深阱状态。它需要热振动能量（称为极化子跳跃激活能）从一个位置跳到另一个位置。因此，小极化子的形成对电荷迁移率有不利影响，这在过渡金属氧化物中很常见。

研究团队接受了这一挑战，寻找提高电荷迁移率的方法。他们发现，通过用磷掺杂修饰钒酸铋光阳极，电荷迁移率比原始光阳极高2.8倍。这也大大提高了电荷分离效率，在0.6V时高达80%，比原始电荷分离效率强约1.43倍，在1.0V时高至99%。

研究人员表示：“我们发现，掺入磷后，钒酸铋光阳极的极化子跳跃激活势垒降低。这一点通过我们的理论和实验研究得到了证明。”

磷掺杂的协同效应

该团队的实验和测量还证实，磷掺杂钝化了钒酸铋表面上固有形成的陷阱态，从而增加了用于分解水分子的开路光电压。

他们表明，通过同时介导极化子跳跃势垒和陷阱状态，掺杂磷的钒酸铋中的电荷传输得到了改善，从而在低压下引入了高效的光电化学水分解制氢。协同效应允许磷掺杂的钒酸铋在0.6V下表现出2.21%的创纪录的高光子-电流转换效率。

研究人员指出：“我们希望对钒酸铋性能增强的机制理解将为许多光活性金属氧化物的陷阱态钝化和极化子跳跃提供关键见解，更重要的是，将为高效制氢提供一个潜在的选择，以帮助实现碳中和。”

这项工作最突出的是太阳能和电力的联合输入，以从水中释放氢气。