香港城大新技术：改善低电压的水分解效能 促进低耗能生产氢气能源

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%。