金屬氧化物是一種極具潛力的“光電化學(xué)水分解”催化劑,能夠?qū)⑺�分解為氫氣作為替代能�?但其效能在低電壓下卻會(huì)大減。香港城市大學(xué)(香港城大)聯(lián)同澳洲和德國(guó)學(xué)者組成的研究團(tuán)隊(duì),最近發(fā)現(xiàn)摻雜了磷質(zhì)的氧化金屬催化劑,可解決“電荷載流子傳輸”(charge carrier transport)不良的問(wèn)題,從而減少水分解過(guò)程中的能源損耗,為實(shí)現(xiàn)碳中和愿景提供了潛在新方案。

這次研究由香港城大能源及環(huán)境學(xué)院吳永豪教授,以及來(lái)自澳洲與德國(guó)的學(xué)者共同領(lǐng)導(dǎo)。研究成果已在科學(xué)期刊《自然通訊》上發(fā)表,題為〈Low-bias photoelectrochemical water splitting via mediating trap states and small polaron hopping〉。

釩酸鉍(BiVO4)是一種對(duì)可見光及紫外光都有反應(yīng)的金屬氧化物半導(dǎo)體,被視為在光電化學(xué)水分解過(guò)程里,性能極高的光催化劑。本身為光電化學(xué)研究專家的吳教授說(shuō):“光電化學(xué)水分解是利用太陽(yáng)光結(jié)合光催化劑、即釩酸鉍等半導(dǎo)體,透過(guò)光能和額外的小量電壓供應(yīng),讓光催化劑直接將水分子,分解為氫氣及氧氣。”

金屬氧化物半導(dǎo)體釩酸鉍(BiVO4)是一種在光電化學(xué)水分解過(guò)程中,性能極高的光催化劑, 可分解水來(lái)產(chǎn)生氫氣作為替代能源。(圖片來(lái)源︰香港城市大學(xué))

他續(xù)說(shuō):“但在低電壓的情況下,大量由光激發(fā)的電荷載流子卻無(wú)法被使用,導(dǎo)致能源流失,影響水分解的效能。而‘電子陷阱態(tài)’(trap states)及‘小極化子形成’(small polaron formation)正是導(dǎo)致電荷載流子傳輸不良的主要原因。”

原生缺陷及極化子形成 窒礙電荷載流子傳輸

受太陽(yáng)能激發(fā),半導(dǎo)體內(nèi)的電子可由“價(jià)電帶”躍過(guò)帶隙(bandgap)進(jìn)入“導(dǎo)電帶”,從而產(chǎn)生電流。不過(guò),半導(dǎo)體的原生缺陷可引發(fā)“電子陷阱態(tài)”,令“光致電子”(photoinduced electrons)和正電荷的空穴處于受困狀態(tài),直至它們兩者重新結(jié)合,電子因此難以移動(dòng),無(wú)法產(chǎn)生電流。

此外,當(dāng)電子在半導(dǎo)體內(nèi)受到激發(fā),其電荷可導(dǎo)致晶格膨脹(lattice expansion)令電子受困于晶格之中,形成等同于“深層電子陷阱態(tài)”(deep trap state)的小極化子,并需要額外的熱振動(dòng)能(稱為“極化子跳躍動(dòng)能”,polaron hopping activation energy),才可跳動(dòng)至另一個(gè)位置。因此,小極化子的形成會(huì)令電荷遷移率減弱,而這現(xiàn)象常見于過(guò)渡金屬氧化物之中。

研究團(tuán)隊(duì)于是嘗試找出提高電荷遷移率的方案。他們發(fā)現(xiàn)“釩酸鉍光陽(yáng)極”(BiVO4photoanodes)在摻雜磷質(zhì)之后,電荷遷移率較一般釩酸鉍增強(qiáng)2.8倍。與此同時(shí),即使在0.6V的低壓供電下,電荷分離效率亦提升至80%,較原有高出1.43倍,而效率在1.0V供電下更高達(dá)99%。