通过一步电化学后处理对WO?光阳极进行改性，从而增强载流子动力学，实现高效的光电催化水分解

《Applied Surface Science》：Boosted charge carrier dynamics in WO 3 photoanodes engineered through a one-step electrochemical post-treatment for efficient photoelectrochemical water splitting

氧空位缺陷工程显著提升WO3-x-Re60光电极水氧化性能，通过电化学还原调控氧空位浓度，增强载流子密度（440%提升）和电导率，优化内建电场（0.24 V负移）及电荷分离效率。

　　近年来，随着全球对可持续能源需求的不断增长，太阳能驱动水分解制氢技术因其环保性和经济性而受到广泛关注。作为该技术的关键组成部分，光电化学（Photoelectrochemical, PEC）水分解中，光电阳极材料的性能直接影响整个系统的效率和可行性。其中，三氧化钨（WO?）因其合适的带隙（约2.7 eV）、适中的空穴扩散长度以及优异的物理化学稳定性，被视为一种极具潜力的光电阳极材料。然而，尽管其理论潜力巨大，实际应用中WO?的性能仍然存在较大差距，主要受限于对太阳能光谱的利用效率不高、电荷在体相和界面处的复合问题严重，以及水氧化反应（Water Oxidation Reaction, WOR）动力学缓慢。因此，如何通过有效的手段提升WO?的电荷传输性能，是当前研究的热点之一。

针对这一问题，科学家们提出了多种策略，其中缺陷工程被认为是一种有效的方法。通过引入特定的缺陷，可以显著改善半导体材料的电荷传输特性。其中，氧空位（Oxygen Vacancy, Ov）是一种常见的缺陷类型，其在金属氧化物中的存在对电子结构产生重要影响。适量的氧空位可以作为浅层施主，提高载流子密度，增强导电性，并改善能带弯曲，从而促进体相电荷分离和界面电荷注入效率。然而，过量的氧空位则可能成为负面缺陷，引发更多的电荷复合，从而降低光电响应。

为了克服这一挑战，研究团队开发了一种改进的电化学后处理方法，用于在高度有序的WO?纳米片阵列中引入丰富的氧空位，形成氧缺陷的WO???（简称WO???-Re）。通过电化学测试和能带结构分析，研究人员发现，引入的氧空位显著提高了整体的载流子密度、电导率和内置电场，从而有效提升了电荷分离和电荷注入效率。实验结果表明，优化后的WO???-Re60光电阳极在1.23 V_RHE下实现了高达1.1 mA/cm2的光电流密度，较原始的WO?提升了440%。此外，该材料的起始电位也向负方向移动了0.24 V，同时光子到电流的转换效率得到了显著提升。

这项研究不仅揭示了氧空位在调控WO?中电荷载流子动态中的关键作用，还展示了一种实用且高效的缺陷工程策略，为设计高效的光电阳极材料提供了新的思路。通过这种策略，研究人员能够精准地调控氧空位的密度和分布，从而在不引入过多缺陷的情况下，实现对材料性能的优化。这种改进的电化学后处理方法相较于传统的高温退火或化学处理，具有更高的能量效率和更简便的操作流程，为未来大规模应用奠定了基础。

在实验过程中，研究团队首先采用改进的水热法在导电玻璃基底（氟掺杂的锡氧化物，FTO）上直接生长出高度有序的WO?纳米片阵列。随后，通过空气退火处理，进一步优化材料的结构和性能。为了引入氧空位，研究团队采用了一种简便的电化学还原方法，在负偏压（-0.86 V_Ag/AgCl）条件下进行电化学处理。通过调整电化学还原的参数，研究人员能够精确地控制氧空位的引入程度，从而实现对材料性能的优化。

通过结构表征手段，研究人员进一步确认了氧空位在材料中的分布情况以及其对电子结构的影响。实验结果表明，氧空位的引入显著改善了WO?的导电性和载流子迁移能力，从而提升了其在PEC水分解中的性能。同时，研究人员还通过光谱分析方法，验证了氧空位在促进光子到电流转换过程中的作用。这些结果不仅为理解氧空位在WO?中调控电荷载流子动态的机制提供了新的视角，还为未来设计高效光电阳极材料提供了理论依据。

在实验设计中，研究团队特别关注了氧空位在体相和界面处的协同作用。通过系统的实验分析，研究人员发现，氧空位不仅能够促进体相中的电荷分离，还能有效提升界面处的电荷注入效率。这种协同效应使得优化后的WO???-Re60光电阳极在实际应用中表现出优异的性能。此外，研究团队还对材料的稳定性进行了评估，发现引入氧空位后的WO???-Re60在长时间运行中仍能保持较高的光电响应，显示出良好的耐久性。

总的来说，这项研究通过引入氧空位，显著提升了WO?作为光电阳极材料的性能。通过改进的电化学后处理方法，研究人员能够精准地调控氧空位的密度和分布，从而在不引入过多缺陷的情况下，实现对材料性能的优化。实验结果表明，优化后的材料在1.23 V_RHE下实现了高达1.1 mA/cm2的光电流密度，较原始的WO?提升了440%。此外，该材料的起始电位也向负方向移动了0.24 V，同时光子到电流的转换效率得到了显著提升。

这项研究的意义不仅在于对WO?材料性能的提升，还在于为未来设计高效光电阳极材料提供了新的思路。通过这种策略，研究人员能够更好地理解氧空位在调控电荷载流子动态中的作用，从而为优化其他半导体材料的性能提供参考。此外，该研究还展示了电化学方法在材料改性中的潜力，为未来大规模应用提供了技术支持。

在未来的研究中，研究团队计划进一步探索氧空位在不同材料体系中的作用，以及其在其他光催化反应中的应用潜力。通过深入研究，他们希望能够开发出更高效的光电阳极材料，从而推动太阳能驱动水分解技术的发展。此外，研究团队还希望与工业界合作，将这些研究成果转化为实际应用，为绿色能源的发展做出贡献。

综上所述，这项研究通过引入氧空位，显著提升了WO?作为光电阳极材料的性能。通过改进的电化学后处理方法，研究人员能够精准地调控氧空位的密度和分布，从而在不引入过多缺陷的情况下，实现对材料性能的优化。实验结果表明，优化后的材料在1.23 V_RHE下实现了高达1.1 mA/cm2的光电流密度，较原始的WO?提升了440%。此外，该材料的起始电位也向负方向移动了0.24 V，同时光子到电流的转换效率得到了显著提升。这些成果不仅为理解氧空位在调控电荷载流子动态中的作用提供了新的视角，还为未来设计高效光电阳极材料提供了理论依据和技术支持。