金属氧化物是一种极具潜力的“光电化学水分解”催化剂，能够将水分解为氢气作为替代能源，但其效能在低电压下却会大减。香港城市大学(香港城大)联同澳洲和德国学者组成的研究团队，最近发现掺杂了磷质的氧化金属催化剂，可解决“电荷载流子传输”(charge carrier transport)不良的问题，从而减少水分解过程中的能源损耗，为实现碳中和愿景提供了潜在新方案。

这次研究由香港城大能源及环境学院吴永豪教授，以及来自澳洲与德国的学者共同领导。研究成果已在科学期刊《自然通讯》上发表，题为〈Low-bias photoelectrochemical water splitting via mediating trap states and small polaron hopping〉。

钒酸铋(BiVO4)是一种对可见光及紫外光都有反应的金属氧化物半导体，被视为在光电化学水分解过程里，性能极高的光催化剂。本身为光电化学研究专家的吴教授说：“光电化学水分解是利用太阳光结合光催化剂、即钒酸铋等半导体，透过光能和额外的小量电压供应，让光催化剂直接将水分子，分解为氢气及氧气。”

金属氧化物半导体钒酸铋(BiVO4)是一种在光电化学水分解过程中，性能极高的光催化剂， 可分解水来产生氢气作为替代能源。(图片来源︰香港城市大学)

他续说：“但在低电压的情况下，大量由光激发的电荷载流子却无法被使用，导致能源流失，影响水分解的效能。而‘电子陷阱态’(trap states)及‘小极化子形成’(small polaron formation)正是导致电荷载流子传输不良的主要原因。”

原生缺陷及极化子形成窒碍电荷载流子传输

受太阳能激发，半导体内的电子可由“价电带”跃过带隙(bandgap)进入“导电带”，从而产生电流。不过，半导体的原生缺陷可引发“电子陷阱态”，令“光致电子”(photoinduced electrons)和正电荷的空穴处于受困状态，直至它们两者重新结合，电子因此难以移动，无法产生电流。

此外，当电子在半导体内受到激发，其电荷可导致晶格膨胀(lattice expansion)令电子受困于晶格之中，形成等同于“深层电子陷阱态”(deep trap state)的小极化子，并需要额外的热振动能(称为“极化子跳跃动能”，polaron hopping activation energy)，才可跳动至另一个位置。因此，小极化子的形成会令电荷迁移率减弱，而这现象常见于过渡金属氧化物之中。

研究团队于是尝试找出提高电荷迁移率的方案。他们发现“钒酸铋光阳极”(BiVO4photoanodes)在掺杂磷质之后，电荷迁移率较一般钒酸铋增强2.8倍。与此同时，即使在0.6V的低压供电下，电荷分离效率亦提升至80%，较原有高出1.43倍，而效率在1.0V供电下更高达99%。

掺磷的钒酸铋(Phosphorus-doped BiVO4)的电荷迁移率，较一般钒酸铋增强了2.8倍。(图片来源﹕Hao Wu, Lei Zhang, Aijun Du, et al. / DOI: 10.1038/s41467-022-33905-6)

研究的第一作者吴昊博士，曾为吴教授团队的博士后研究员，现为澳门科技大学澳门材料科学与工程研究院助理教授。吴博士提到这次研究的另一亮点时说：“在钒酸铋光阳极掺杂磷质以后，我们发现极化子跳跃的能量屏障有所下降(即降低了极化子跳跃的所需动能)。这是我们经过理论研究和实验证实的结果。”

掺杂磷质带动协同效应

团队的测试证明，钒酸铋在掺杂磷质之后，可抑制物料表面形成电子陷阱的机会，增加“开路光电压”(open-circuit photovoltage)以分解水分子。

他们的研究显示，掺磷的钒酸铋可降低极化子跳跃的能量屏障、抑制电子陷阱形成，从而改善电荷载流子传输，提高光电化学水分解在低压供电下的制氢效能。透过协同效应，掺磷的钒酸铋在0.6V供电下，更展现出破纪录的“光子电流转换效率”(photon-to-current conversion efficiency)，达至2.21%。

吴教授说：“我们希望通过透彻理解提高钒酸铋效能的方法，为抑制光敏金属氧化物所产生电子陷阱态、极化子跳动等研究，带来启发性的影响;更重要的是，为有效转化氢气以实现碳中和愿景，提供进一步的潜在解决方案。”

研究论文的第一作者是吴博士，通讯作者是吴教授。来自德国亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心太阳能燃料研究所及昆士兰科技大学的学者亦有参与研究。

这次研究项目的资金来源包括香港研究资助局，以及深圳市科技创新委员会。

香港城大能源及环境学院吴永豪教授(右)与他的研究团队成员、现为澳门科技大学澳门材料科学与工程研究院助理教授的吴昊博士(左)。(图片来源︰香港城市大学)