《文章投稿》用于增強(qiáng)光電化學(xué)脫鹽的CeO2/BiVO4/MoO3三相異質(zhì)結(jié)構(gòu)光陽極

1，文章信息

標(biāo)題：Three-phase heterostructure photoanode of CeO2/BiVO4/MoO3 for enhanced photo-electrochemical desalination

中文標(biāo)題：用于增強(qiáng)光電化學(xué)脫鹽的CeO2/BiVO4/MoO3三相異質(zhì)結(jié)構(gòu)光陽極

頁碼：163436

DOI：10.1016/j.cej.2025.163436

2. 文章鏈接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.163436

3. 期刊信息

期刊名：Chemical Engineering Journal

2025年影響因子：13.4

分區(qū)信息：JCR分區(qū)：Q1

涉及研究方向：工程技術(shù)、工程化工、工程環(huán)境

4. 作者信息：第一作者是 袁盛博。通訊作者為 羅民、楊永清、陳福明。

5. 文章所用產(chǎn)品：CEL-S500氙燈光源;

文章簡介：

太陽能驅(qū)動(dòng)的光電化學(xué)海水淡化（SD-PED）提供了一條有前途的淡水途徑，但效率和穩(wěn)定性仍然是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。本文提出一種在鉬襯底上原位合成的新型CeO2/BiVO4/MoO3三相異質(zhì)結(jié)構(gòu)光陽極。設(shè)計(jì)具有電子/空穴傳輸層的三層異質(zhì)結(jié)光電極實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和脫鹽效率，展示了該策略的應(yīng)用潛力。在零偏壓和模擬照明下，光陽極從5000 ppm NaCl溶液中實(shí)現(xiàn)了107.43 μg/（cm2 min）的高鹽去除率和0.135 μmol/J的太陽能脫鹽能力。展示了出色的循環(huán)穩(wěn)定性，突出了這種集成電極設(shè)計(jì)策略對于高效耐用的SD-PED系統(tǒng)的潛力。這項(xiàng)工作為直接在功能襯底上構(gòu)建多層光電極以增強(qiáng)光電化學(xué)性能提供了參考。

圖1 三相異質(zhì)結(jié)制備工藝

以Mo板為基底，合成BiVO4層，然后通過化學(xué)浴沉積法，將CeO2納米顆粒沉積到BiVO4/MoO3電極上，最終形成CeO2/BiVO4/MoO3三相異質(zhì)結(jié)構(gòu)光陽極。通過該方法制備的光陽極顯示出一步形成的BiVO4/MoO3結(jié)構(gòu)，其表面具有均勻分布的CeO2催化劑。雙II型異質(zhì)結(jié)構(gòu)促進(jìn)了光生電子-空穴對的有效分離，并增強(qiáng)了與電解質(zhì)的接觸，從而實(shí)現(xiàn)電荷載流子分離和傳輸。

圖2 (a-b) 脫鹽器件直觀圖

SEM圖像展示了三相異質(zhì)結(jié)樣品的形貌，揭示了一種珊瑚狀結(jié)構(gòu)（圖3b）。為了闡明界面結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了控制腐蝕實(shí)驗(yàn)：（1）長時(shí)間HCl處理（1 h）BC-0暴露的底層MoO? 薄板（圖3c），暴露完整MoO? 基層；（2）BC-2的簡短蝕刻（2分鐘）顯示尺寸減小的BiVO? 具有多孔形態(tài)的顆粒（圖3d），同時(shí)確認(rèn)MoO3存在于BiVO4下方. 這種結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)意味著BiVO4合成過程中MoO3界面層的原位形成，這是由Mo和BiVO4物種在高溫下的氧化還原相互作用介導(dǎo)的。

圖3 三相異質(zhì)結(jié)的（a）XRD和（b-d）掃描電鏡圖片

圖4 （a）三相異質(zhì)結(jié)的XPS總譜（b）Ce 3d和（c）Mo 3d；（c）BiVO4/MoO3電極和BiVO4/FTO電極的Bi 4f譜圖。

如圖4d所示，在Mo板上制備的BiVO4/Mo電極與BiVO4/FTO電極的Bi 4f譜圖中可以看到，BiVO4/Mo中Bi的峰向低能偏移，且產(chǎn)生了Bi單質(zhì)的特征峰。結(jié)合圖4c中Mo元素為5+/6+混合價(jià)態(tài)，可知Mo板表面在合成BiVO4時(shí)，Mo與Bi發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，誘導(dǎo)MoO3生成在BiVO4的下層。

圖5（a-b）BiVO4/MoO3電極的原位XPS譜圖；（c）DMPO-OH·的EPR譜圖；（d）OH·累積實(shí)驗(yàn)。

 通過對BiVO4/MoO3電極進(jìn)行原位光照的XPS實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了在CeO2/BiVO4/MoO3三相異質(zhì)結(jié)構(gòu)光陽極中，電子由BiVO4向MoO3轉(zhuǎn)移；通過對CeO2/BiVO4/FTO電極進(jìn)行DMPO-OH·的EPR測試和OH·累積實(shí)驗(yàn)證明光生空穴由BiVO4向CeO2轉(zhuǎn)移。即以BiVO4為中心，制備了MoO3電子傳輸層和CeO2空穴傳輸層，BiVO4的光吸收/轉(zhuǎn)化能力。

圖6（a）不同制備條件的三相異質(zhì)結(jié)的脫鹽性能；（b）BC-2樣品的循環(huán)性能。

圖6a顯示了零偏差條件下的脫鹽性能。BC-2光陽極將鹽濃度從5000 ppm降低到大約100 ppm，優(yōu)于BiVO4光陽極。這種提高的脫鹽效率歸因于BC-2光陽極產(chǎn)生的更高光電流。BC-2光陽極的鹽去除率為107.43 μg/(cm2min)，光能利用率為0.135μ mol/J。與單個(gè)CeO?/BiVO?/FTO和BiVO?/MoO?（BC-0）異質(zhì)結(jié)相比，三層CeO?/BiVO?/MoO?異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的性能。