随着当今世界能源枯竭、环境污染的加剧，关于新能源的研究迫在眉睫。氢能具有产物无污染，燃烧热能高的独特优势，被认为是优质清洁能源。而光电催化分解水是可以有效地将太阳能转化为氢能的技术，但是光电催化过程中的光电转换效率却受到电子转移速率的限制，因此需要开发高性能的光阳极材料用于光电化学水分解。
在模拟光合作用中太阳能与电子的转换过程，发现光电催化反应中的半导体相当于叶绿素在吸收太阳光时的作用，经过电荷转移过程，打破O-H键，实现水的分解。在自然界中，卟啉和酞菁具有与光敏化叶绿素相似的结构。而CuPc在光催化和高温过程中都相对稳定，在可见光区域（600-800 nm）具有很强的吸收能力，在光催化领域中，CuPc被认为可以提升光吸收范围和光吸收能力；FeOOH作为光电催化领域中最常用的析氧助催化剂，可以将光生空穴快速转移至催化剂的表面。
重点实验室刘光小组与新南威尔士大学赵川教授通过浸渍的方法制备了一种新型的复合光阳极材料—BiVO4/CuPc/FeOOH。使用紫外可见吸收光谱分析了光阳极的光学特性，在CuPc存在的情况下，改善了BiVO4在可见光领域的吸光范围和吸光能力， CuPc的存在可使BiVO4吸收550 nm波长以上的可见光，表明CuPc与BiVO4光阳极紧密接触，引起了电荷从BiVO4向CuPc层的转移。纯BiVO4的光电流密度为1.3 mA cm-2，在负载了CuPc之后，光电流密度提升至1.69 mA cm-2，负载FeOOH之后光电流密度提升至2.7 mA cm-2，而将两者交替负载在BiVO4的表面后，光电流密度提升至3.67 mA cm-2，具有出色的光电催化能力。在体电荷转移效率图中可以看到，BiVO4/CuPc电极在1.23 VRHE具有最高的值(77.21%)，其次是BiVO4/CuPc/FeOOH(65.30%)和BiVO4/FeOOH(65.40%)，说明在BiVO4光阳极体相内进行电荷转移时CuPc发挥了重要作用。在表面电荷转移效率图中，BiVO4/CuPc/FeOOH在1.23 VRHE时具有最高的分离效率(75.46%)，明显高于BiVO4/FeOOH(55.65%)、BiVO4/CuPc(29.24%)和BiVO4(27.35%)，可见FeOOH对于表面电荷分离效率的提升效果更加明显，说明在表面水氧化过程中，FeOOH作为析氧助催化剂发挥了重要作用。为了进一步验证上述结果，对光阳极进行EIS测试，并对能奎斯特图进行电路模拟，分析电阻阻抗值得到的结果与电荷分离效率一致，CuPc明显降低了体电荷转移阻力，而FeOOH的负载减小了表面电荷的转移阻力。
综上所述，在光敏分子催化剂CuPc和析氧辅助催化剂FeOOH协同作用下，BiVO4的光生电荷转移能力被改善，光电催化性能得到明显提升。这项研究为将分子催化剂用于PEC体系提供了一种思路。
论文信息：
Molecular Copper Phthalocyanine and FeOOH Modified BiVO4 Photoanodes for Enhanced Photoelectrochemical Water Oxidation
Mengmeng Fan, Ziyang Tao, Qiang Zhao, Jinping Li, Guang Liu*, Chuan Zhao*
Advanced Materials Technologies
DOI:10.1002/admt.202201835
原文链接：https://doi.org/10.1002/admt.202201835
