《文章投稿》用于增强光电化学脱盐的CeO2/BiVO4/MoO3三相异质结构光阳极

1，文章信息

标题：Three-phase heterostructure photoanode of CeO2/BiVO4/MoO3 for enhanced photo-electrochemical desalination

中文标题：用于增强光电化学脱盐的CeO2/BiVO4/MoO3三相异质结构光阳极

页码：163436

DOI：10.1016/j.cej.2025.163436

2. 文章链接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.163436

3. 期刊信息

期刊名：Chemical Engineering Journal

2025年影响因子：13.4

分区信息：JCR分区：Q1

涉及研究方向：工程技术、工程化工、工程环境

4. 作者信息：第一作者是 袁盛博。通讯作者为 罗民、杨永清、陈福明。

5. 文章所用产品：CEL-S500氙灯光源;

文章简介：

太阳能驱动的光电化学海水淡化（SD-PED）提供了一条有前途的淡水途径，但效率和稳定性仍然是关键挑战。本文提出一种在钼衬底上原位合成的新型CeO2/BiVO4/MoO3三相异质结构光阳极。设计具有电子/空穴传输层的三层异质结光电极实现了优异的循环稳定性和脱盐效率，展示了该策略的应用潜力。在零偏压和模拟照明下，光阳极从5000 ppm NaCl溶液中实现了107.43 μg/（cm2 min）的高盐去除率和0.135 μmol/J的太阳能脱盐能力。展示了出色的循环稳定性，突出了这种集成电极设计策略对于高效耐用的SD-PED系统的潜力。这项工作为直接在功能衬底上构建多层光电极以增强光电化学性能提供了参考。

图1 三相异质结制备工艺

以Mo板为基底，合成BiVO4层，然后通过化学浴沉积法，将CeO2纳米颗粒沉积到BiVO4/MoO3电极上，最终形成CeO2/BiVO4/MoO3三相异质结构光阳极。通过该方法制备的光阳极显示出一步形成的BiVO4/MoO3结构，其表面具有均匀分布的CeO2催化剂。双II型异质结构促进了光生电子-空穴对的有效分离，并增强了与电解质的接触，从而实现电荷载流子分离和传输。

图2 (a-b) 脱盐器件直观图

SEM图像展示了三相异质结样品的形貌，揭示了一种珊瑚状结构（图3b）。为了阐明界面结构，进行了控制腐蚀实验：（1）长时间HCl处理（1 h）BC-0暴露的底层MoO₃ 薄板（图3c），暴露完整MoO₃ 基层；（2）BC-2的简短蚀刻（2分钟）显示尺寸减小的BiVO₄ 具有多孔形态的颗粒（图3d），同时确认MoO3存在于BiVO4下方. 这种结构结构意味着BiVO4合成过程中MoO3界面层的原位形成，这是由Mo和BiVO4物种在高温下的氧化还原相互作用介导的。

图3 三相异质结的（a）XRD和（b-d）扫描电镜图片

图4 （a）三相异质结的XPS总谱（b）Ce 3d和（c）Mo 3d；（c）BiVO₄/MoO₃电极和BiVO₄/FTO电极的Bi 4f谱图。

 如图4d所示，在Mo板上制备的BiVO4/Mo电极与BiVO4/FTO电极的Bi 4f谱图中可以看到，BiVO4/Mo中Bi的峰向低能偏移，且产生了Bi单质的特征峰。结合图4c中Mo元素为5+/6+混合价态，可知Mo板表面在合成BiVO4时，Mo与Bi发生了氧化还原反应，诱导MoO3生成在BiVO4的下层。

图5（a-b）BiVO₄/MoO₃电极的原位XPS谱图；（c）DMPO-OH·的EPR谱图；（d）OH·累积实验。

  通过对BiVO4/MoO3电极进行原位光照的XPS实验，证实了在CeO2/BiVO4/MoO3三相异质结构光阳极中，电子由BiVO4向MoO3转移；通过对CeO2/BiVO4/FTO电极进行DMPO-OH·的EPR测试和OH·累积实验证明光生空穴由BiVO4向CeO2转移。即以BiVO4为中心，制备了MoO3电子传输层和CeO2空穴传输层，BiVO4的光吸收/转化能力。

图6（a）不同制备条件的三相异质结的脱盐性能；（b）BC-2样品的循环性能。

图6a显示了零偏差条件下的脱盐性能。BC-2光阳极将盐浓度从5000 ppm降低到大约100 ppm，优于BiVO4光阳极。这种提高的脱盐效率归因于BC-2光阳极产生的更高光电流。BC-2光阳极的盐去除率为107.43 μg/(cm2min)，光能利用率为0.135μ mol/J。与单个CeO₂/BiVO₄/FTO和BiVO₄/MoO₃（BC-0）异质结相比，三层CeO₂/BiVO₄/MoO₃异质结表现出显著增强的性能。