城大新技術﹕改善低電壓的水分解效能 促進低耗能生產氫氣能源

金屬氧化物是一種極具潛力的「光電化學水分解」催化劑，能夠將水分解為氫氣作為替代能源，但其效能在低電壓下卻會大減。香港城市大學（城大）聯同澳洲和德國學者組成的研究團隊，最近發現摻雜了磷質的氧化金屬催化劑，可解決「電荷載流子傳輸」（charge carrier transport）不良的問題，從而減少水分解過程中的能源損耗，為實現碳中和願景提供了潛在新方案。

今次研究由城大能源及環境學院吳永豪教授，以及來自澳洲與德國的學者共同領導。研究成果已在科學期刊《自然通訊》上發表，題為〈Low-bias photoelectrochemical water splitting via mediating trap states and small polaron hopping〉。

釩酸鉍（BiVO₄）是一種對可見光及紫外光都有反應的金屬氧化物半導體，被視為在光電化學水分解過程裡，性能極高的光催化劑。本身為光電化學研究專家的吳教授說︰「光電化學水分解是利用太陽光結合光催化劑、即釩酸鉍等半導體，透過光能和額外的小量電壓供應，讓光催化劑直接將水分子，分解為氫氣及氧氣。」

他續說︰「但在低電壓的情況下，大量由光激發的電荷載流子卻無法被使用，導致能源流失，影響水分解的效能。而『電子陷阱態』（trap states）及『小極化子形成』（small polaron formation）正是導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

受太陽能激發，半導體內的電子可由「價電帶」躍過帶隙（bandgap）進入「導電帶」，從而產生電流。不過，半導體的原生缺陷可引發「電子陷阱態」，令「光致電子」（photoinduced electrons）和正電荷的空穴處於受困狀態，直至它們兩者重新結合，電子因此難以移動，無法產生電流。

此外，當電子在半導體內受到激發，其電荷可導致晶格膨脹（lattice expansion）令電子受困於晶格之中，形成等同於「深層電子陷阱態」（deep trap state）的小極化子，並需要額外的熱振動能（稱為「極化子跳躍動能」，polaron hopping activation energy），才可跳動至另一個位置。因此，小極化子的形成會令電荷遷移率減弱，而這現象常見於過渡金屬氧化物之中。

研究團隊於是嘗試找出提高電荷遷移率的方案。他們發現「釩酸鉍光陽極」（BiVO₄ photoanodes）在摻雜磷質之後，電荷遷移率較一般釩酸鉍增強2.8倍。與此同時，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99%。

研究的第一作者吳昊博士，曾為吳教授團隊的博士後研究員，現為澳門科技大學澳門材料科學與工程研究院助理教授。吳博士提到今次研究的另一亮點時說︰「在釩酸鉍光陽極摻雜磷質以後，我們發現極化子跳躍的能量屏障有所下降（即降低了極化子跳躍的所需動能）。這是我們經過理論研究和實驗證實的結果。」

摻雜磷質帶動協同效應

團隊的測試證明，釩酸鉍在摻雜磷質之後，可抑制物料表面形成電子陷阱的機會，增加「開路光電壓」（open-circuit photovoltage）以分解水分子。

他們的研究顯示，摻磷的釩酸鉍可降低極化子跳躍的能量屏障、抑制電子陷阱形成，從而改善電荷載流子傳輸，提高光電化學水分解在低壓供電下的製氫效能。透過協同效應，摻磷的釩酸鉍在0.6V供電下，更展現出破紀錄的「光子電流轉換效率」（photon-to-current conversion efficiency），達至2.21%。

吳教授說︰「我們希望通過透徹理解提高釩酸鉍效能的方法，為抑制光敏金屬氧化物所產生電子陷阱態、極化子跳動等研究，帶來啟發性的影響；更重要的是，為有效轉化氫氣以實現碳中和願景，提供進一步的潛在解決方案。」

研究論文的第一作者是吳博士，通訊作者是吳教授。來自德國亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心太陽能燃料研究所及昆士蘭科技大學的學者亦有參與研究。

今次研究項目的資金來源包括香港研究資助局，以及深圳市科技創新委員會。

https://www.cityu.edu.hk/zh-hk/research/stories/2023/01/04/new-method-introduce-efficient-water-splitting-hydrogen-production-low-voltage