空气雾化化学气相沉积在钒酸铋基光电极上沉积钴基共催化剂以实现太阳能裂解水系统

把阳光和水变成清洁燃料

想象一下用一块类似太阳能电池的固态面板，直接把阳光和水转化为氢燃料。本研究探索了一种构建此类面板上关键“辅助”层的新方法，该方法可在大面积上以低成本放大。通过提高面板分离电荷的效率并延长其在水中工作的寿命，这项工作使太阳能制氢更接近实用化。

一种用于裂解水的特殊太阳能面板

器件的核心是一种名为钒酸铋的光吸收材料，它的工作方式有点像太阳能电池，但针对的是水而不是导线。当阳光照射到与水接触的这层材料时，会产生正负电荷，理论上这些电荷可以把水分子拆分成氧和氢。然而在实际中，许多电荷很快复合并以热量形式消失，材料表面也可能逐渐溶蚀。为了解决这些问题，研究人员在表面加一层薄薄的“共催化剂”涂层，促进所需的反应并保护表面免受损伤。

用空气喷涂来构建辅助层

传统上，称为磷酸钴的钴基共催化剂是通过在光照和电偏压下在液相中生长得到的，这种工艺难以在大面积上均匀实现。在这项工作中，团队首先使用空气雾化化学气相沉积沉积一层氧化钴薄膜：将含钴溶液雾化成细雾并在加热气流中输送至覆盖有钒酸铋层的玻璃上，形成均匀的氧化钴外衣。随后他们将涂层样品置于含磷酸盐的盐溶液中，并在暗处施加电压，使氧化钴的外表面转化为磷酸钴。这种两步“先喷涂再调控”工艺在大气压下进行，更适合工业化涂覆。

新涂层如何提升性能

研究人员将他们喷涂并处理的磷酸钴薄膜与传统在液相光照下生长的标准薄膜进行了比较。尽管新薄膜只有一层非常薄的富磷表层，但它与基底的附着更牢固，对下方的钒酸铋覆盖更平整。模拟阳光下的电学测试显示，新涂层使简单钒酸铋面板的太阳能制氢效率提高了超过一倍，从0.21%上升到1.16%。它还将水裂解开始时的电位向更低值移动，并降低了表面电荷传输阻力。对入射光转化为电流效率的测量表明，喷涂薄膜既改善了面板内部电荷的分离，也使这些电荷更容易在表面触发产生氧气的反应。

稳定性与高级设计

任何裂解水面板的关键问题是其寿命。裸露的钒酸铋电极在仅仅四小时的运行中就迅速丧失大部分性能，因为表面在电解液接触下发生腐蚀。涂有新型喷涂磷酸钴层的面板在相同时间段内保持了约90%的初始电流，并在静置后大部分恢复输出，这表明该涂层既加速了有用反应又物理上保护了基底材料。相比之下，传统磷酸钴薄膜出现了裂缝和缝隙并最终完全失效。当团队将钒酸铋与额外的光吸收下层结合再加上钴基涂层时，他们获得了更高的电流和效率，表明该方法可整合进更复杂的多层设计中。

这对未来清洁能源为何重要

这项研究表明，一种可放大的“喷涂并转化”方法可以为太阳能裂解水器件制备有效且耐用的钴基辅助层。尽管绝对效率仍低于商业制氢所要求的水平，但该方法带来了显著的性能提升、中期稳定性良好，并且兼容复杂电极结构，且全部工艺在大气压下进行，适用于大尺寸玻璃片。对于普通读者来说，结论是工程师们不仅在学会制造巧妙的材料，也在学会如何以可推广的方式制造它们，最终可能将屋顶或太阳能场铺满能够直接把阳光和水变为清洁燃料的面板。

引用: Huang, M., Creasey, G., Lin, Z. et al. Aerosol assisted chemical vapor deposition of cobalt-based co-catalysts on bismuth vanadate-based photoelectrodes for solar water splitting systems. NPG Asia Mater 18, 8 (2026). https://doi.org/10.1038/s41427-026-00641-y

关键词: 太阳能裂解水, 氢燃料, 光电极, 磷酸钴催化剂, 钒酸铋