光催化分解水被认为是有望解决未来能源与环境问题的新兴技术之一，也是目前最具挑战性的科学研究之一。在众多氧化物光催化材料中，BiVO4以其优异的光电化学分解水产氧性能而备受人们的关注。然而，在不施加偏压或者缺少牺牲剂的情况下，BiVO4通常表现出较差的光催化活性。从热力学上来说，这主要与其导带底位置较低以致光生电子还原能力较差有关。研究人员试图通过结构调控、离子掺杂等方式提高BiVO4的光催化活性，但通常提高幅度较小或会产生新问题，事实上，并没有从根本上解决BiVO4光生电子引发还原反应能力较差的关键科学问题。本课题组针对此问题进行了深入而细致的研究，提出和发展了通过复合宽带隙半导体氧化物来实现可见光激发的BiVO4高能电子空间转移进而延长寿命、促进分离的策略，进而显著提高了BiVO4可见光催化分解水产氢、降解无色有机污染物的活性。
图170.2 磷酸修饰的TiO2光催化反应体系中光生载流子（光生电子和光生空穴）寿命的变化
构建复合体系以提高材料光生载流子的分离效率是改善其光催化性能的有效方法。一般认为，光生电子将从具有较高导带底能级的半导体转移到具有较低导带底能级的半导体。BiVO4的导带底能级位置略低于0 eV（vs NHE），这就意味着在热力学上还原水产氢和还原吸附氧等的能力是较差的。如果利用具有低导带底能级的半导体与BiVO4复合，似乎这将有利于光生电荷转移与分离，但光生电子的能量下降往往不能改善其光催化活性。事实上，在可见光激发条件下，BiVO4是能够产生大量能量高于导带底能级的电子（即高能电子）的，这部分电子应具有较强的还原能力。但是该部分高能电子寿命较短，通常容易快速地弛豫到导带底能级。因此，解决这一问题是改善BiVO4可见光催化性能的关键。为此，我们提出了引入适量的具有较高导带底能级的氧化物半导体（如TiO2）的策略。这样，BiVO4在可见光激发下所产生的高能电子可能转移到其导带上，进而延长高能电子的寿命、促进载流子分离，又仍能保证光生电子有足够高的还原性。实验结果表明，适量纳米TiO2的复合显著地提高了纳米BiVO4的光催化产氢和降解苯酚的活性，如图170.3所示。该工作具有普遍的借鉴意义，为研发新型的高活性可见光催化材料提供了新的思路和方法。(www.xing528.com)
图170.3 能级平台的可见光生电子调控示意图
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