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(香港城大)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,為實現碳中和愿景提供了潛在新方案。

這次研究由香港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里,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。”

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

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)和正電荷的空穴處于受困狀態,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)令電子受困于晶格之中,形成等同于“深層電子陷阱態”(deep trap state)的小極化子,并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,而這現象常見于過渡金屬氧化物之中。

研究團隊于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”(BiVO4photoanodes)在摻雜磷質之后,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%。