第一作者：田凯歌

通讯作者：闫俊青，李有勇

DOI：10.1016/j.jechem.2026.05.061

✦ 本文亮点 ✦

1. 首次将十二烷基磺酸钠掺杂的聚吡咯（SLS-PPy）分子功能层作为界面修饰材料引入NiOx/BiVO4光阳极体系，构建了新型NiOx/SLS-PPy/BiVO4三明治结构复合光阳极。

2. 发现SLS-PPy界面层通过阶梯式能带对齐效应，有效消除了BiVO4与NiOx之间的界面空穴传输势垒，显著促进了光生载流子的界面迁移。

3. 揭示了SLS-PPy界面层通过界面偶极效应诱导NiOx中Ni2+向高活性Ni3+转化，并降低Ni2+/Ni3+氧化电位，从而大幅加速了水氧化反应动力学。

✦ 前言 ✦

2026年06月，Journal of Energy Chemistry杂志在线发表了陕西师范大学闫俊青教授团队在光电催化水分解领域的最新研究成果。该工作报道了利用SLS-PPy分子界面层同时优化BiVO4光阳极的能带结构、钝化界面缺陷并活化NiOx催化位点，从而大幅提升光电化学水氧化性能的研究。论文第一作者为：田凯歌，论文通讯作者为：闫俊青、李有勇教授。

✦ 背景介绍 ✦

光电化学（PEC）水分解是实现太阳能向绿色化学燃料转化的理想途径，其中光阳极的氧析出反应（OER）因涉及复杂的四电子转移过程，成为制约整体效率的关键瓶颈。BiVO4凭借其适宜的带隙（~2.4 eV）、丰富的元素储量和有利的能带位置，在光阳极材料中备受关注。然而，其本征空穴迁移率极低，导致光生载流子严重体相复合，实际光电流密度远低于理论最大值（7.5 mA cm-2）；同时，表面OER动力学迟缓，积累的空穴易引发光腐蚀，严重制约了器件的效率与稳定性。为克服上述局限，研究者常将过渡金属氧化物NiOx与BiVO4耦合，以改善界面载流子转移和表面反应动力学。然而，该策略仍面临多重瓶颈：NiO与BiVO4之间的能带失配形成界面空穴传输势垒；NiO颗粒团聚和界面接触不良引入大量缺陷态，成为载流子复合中心；此外，NiOx中本征的Ni²+位点OER活性远低于Ni3+，导致催化动力学瓶颈依然突出。这些问题相互关联，需一种能同时实现能带优化、缺陷钝化和本征活性提升的综合策略。针对上述挑战，本研究首次将十二烷基磺酸钠掺杂的聚吡咯（SLS-PPy）分子功能层引入NiO与BiVO4之间。SLS-PPy具有可调能级结构和良好稳定性，其磺酸根掺杂可增强亲水性并优化功函数。该层通过阶梯式能带排列消除界面势垒，利用π电子和磺酸根基团钝化缺陷，同时通过界面偶极效应促进Ni2+向高活性Ni3+转化，三重协同大幅提升空穴提取与表面催化效率。该工作为高效稳定光阳极的分子界面工程设计提供了新思路。

✦ 本文所用设备 ✦

本文使用设备为泊菲莱PLS-FX300HU高均匀性一体式氙灯光源，该光源专为光电材料测试量身打造，深度契合光电极尺寸与辐照特性的实际需求。光源支持输出10×10~50×50 mm²连续可调的矩形均匀光斑，且其光斑均匀性极佳，在尺寸≤20×20 mm²时可达到A级太阳模拟器标准，是开展光电转化效率（IPCE）测量等高精度测试的理想选择。在性能方面，PLS-FX300HU高均匀性一体式氙灯光源输出光功率密度限制值≥3000 mW/cm²（10×10 mm²光斑下调焦筒直接输出），可完美满足高强度均匀光的实验需求。此外，设备集成电流调节与电动光阑双重光强调节机制，能够轻松实现对输出光强度的精细化与智能化调控。

✦ 图表解析 ✦

图1. (a) NiOx/SLS-PPy/BiVO4光阳极结构及SLS-PPy中间层分子组成示意图；(b) 所有光阳极的XRD图谱；(c, d) 分别为BiVO4和NiOx/SLS-PPy/BiVO4光阳极的SEM图像；(e) BiVO4和NiOx/SLS-PPy/BiVO4光阳极的横截面SEM图像；(f, g) 分别为BiVO4和NiOx/SLS-PPy/BiVO4光阳极的TEM图像。

要点：图1系统地表征了NiOx/SLS-PPy/BiVO4光阳极的结构与形貌。图1a展示了该复合光阳极的三明治结构设计及SLS-PPy的分子组成。XRD结果（图1b）表明各步修饰均未改变BiVO4的单斜相晶体结构。SEM图像（图1c-e）显示BiVO4呈纳米多孔蠕虫状形貌，引入SLS-PPy和NiOx后表面逐渐变粗糙，截面图可见约0.25 μm厚的非晶覆盖层。TEM（图1f-g）进一步证实BiVO4晶格条纹清晰可见，其表面包覆非晶层，顶部负载的NiOx纳米颗粒晶面间距为0.209 nm，对应其(200)晶面。上述结果共同确认了SLS-PPy中间层的成功引入以及NiOx/SLS-PPy/BiVO4多层异质结构的成功构建。

图2.（a）所有光阳极的LSV曲线；（b）所有光阳极的IPCE曲线；（c）所有光阳极的ABPE曲线；（d）所有光阳极的理论电荷量及H2和O2实际析出量图；（e）所有光阳极的平均法拉第效率；（f）所有光阳极的光电化学水氧化性能对比；（g）在0.96Vvs.RHE下的计时安培曲线；（h）经72小时计时安培测试后电解液的ICP-MS分析结果。

图2全面评估了所有光阳极的PEC水氧化性能。LSV曲线（图2a）显示，NiOx/SLS-PPy/BiVO4光阳极在1.23 V vs. RHE下光电流密度达6.79 mA cm-2，分别为纯BiVO4和NiOx/BiVO4的3.9倍和1.5倍。IPCE（图2b）和ABPE（图2c）测试进一步证实其优异的光电转换能力，其中400 nm处IPCE值高达91.1%，ABPE峰值达1.67%。气体析出实验（图2d-e）表明H2与O2摩尔比接近2:1，法拉第效率分别达94.65%和93.52%。综合对比（图2f）凸显该光阳极在各性能指标上均领先。稳定性测试（图2g）显示，72小时后该光阳极仅衰减5.97%，远优于纯BiVO4的近乎完全失活。ICP-MS分析（图2h）表明其V5+溶出量显著降低，证实结构耐久性优异。

图3.（a）所有光阳极的紫外-可见吸收光谱；（b）所有光阳极在1.23Vvs.RHE下的奈奎斯特图；（c)BiVO4、SLS-PPy和NiOx的计算能带示意图；（d）开路光电压测得的△Voc值；（e）BiVO4和NiOx/SLS-PPy/BiVO4光阳极在暗态和光照条件下的接触电位差；(f) BiVO4光阳极在暗态和光照条件下的表面电位线扫描；（g) NiO/SLS-PPy/BiVO4光阳极在暗态和光照条件下的表面电位线扫描；(h）所有光阳极的莫特-肖特基图；(i）所有光阳极的载流子传输效率。

要点：图3从光吸收、载流子迁移和能带结构角度揭示了SLS-PPy的作用机制。UV-vis光谱（图3a）显示SLS-PPy拓宽了可见-近红外光吸收。EIS（图3b）表明SLS-PPy进一步降低了界面电荷转移电阻。能带计算（图3c）证实SLS-PPy在BiVO4和NiOx间形成阶梯式能级排列，消除空穴传输势垒。开路光电压（图3d）及KPFM表面电位（图3e-g）表明该中间层增强了内建电场，提升了载流子分离效率。Mott-Schottky测试（图3h）显示其平带电位负移，能带弯曲增强。载流子传输效率（图3i）从80.59%（BiVO4）提升至97.55%（NiOx/SLS-PPy/BiVO4），证实SLS-PPy有效促进了光生空穴的界面提取与传输。

图4.（a）所有光阳极的PL光谱；（b）所有光阳极的TRPL衰减曲线；（c）所有光阳极的瞬态光电流曲线；（d）由IMPS推导的所有光阳极的载流子复合速率常数（krec）；（e）由IMPS推导的所有光阳极的载流子转移速率常数（ktrans）；(f) 由IMPS推导的所有光阳极的载流子转移效率；(g) 双电层电容（Cdl）；(h) 所有光阳极的表面电荷注入效率（ηsurface）；(i) 由EIS数据推导的所有光阳极的弛豫时间常数。

图4系统探究了SLS-PPy界面层对载流子复合行为及表面反应动力学的影响。PL光谱（图4a）和TRPL衰减曲线（图4b）表明，SLS-PPy的引入有效抑制了体相载流子辐射复合，平均载流子寿命显著延长。瞬态光电流测试（图4c）显示NiOx/SLS-PPy/BiVO4具有最高的Jsteady/Jspike比值，证明界面复合被大幅抑制。IMPS分析（图4d-f）进一步量化了该效应，SLS-PPy修饰后复合速率常数krec显著降低、转移速率常数ktrans显著升高，载流子转移效率达最优。双电层电容（图4g）表明SLS-PPy增大了电化学活性面积。表面电荷注入效率ηsurface（图4h）从NiOx/BiVO4的60.3%提升至93.8%，证实SLS-PPy有效加速了空穴参与水氧化反应。弛豫时间常数（图4i）逐渐减小，直接反映了表面反应动力学的加快。上述结果共同证实SLS-PPy从抑制复合和加速反应两个维度协同优化了PEC性能。

图5.(a)Ni-foil、NiOx/BiVO4和NiO/SLS-PPy/BiVO4的NiK-edge XANES谱图; (b）Ni-foil、NiO/BiVO4和NiOx/SLS-PPy/BiVO4的NiK-edgeEXAFS谱图（R空）；(d) NiOBiVO4在不同外加电压下光照条件下的operando EXAFS谱图；(e) NiOx/SLS-PPy/BiVO4在不同外加电压下光照条件下的operandoXANES谱图；（f) BiVO4在不同电位下的insituRaman光谱；（h）NiO/BiVO4在不同电位下的insitu Raman光谱。

要点：图5通过XAFS和Raman光谱从电子结构层面揭示了SLS-PPy对NiOx的调控机制。XANES（图5a）显示NiOx/SLS-PPy/BiVO4中Ni吸收边向高能偏移，EXAFS（图5b）表明Ni-O键长缩短，证明Ni平均氧化态升高，即部分Ni2+转化为Ni3+。operando XAFS（图5c-f）在光照条件下监测Ni物种随电压的动态演变，结果显示NiOx/SLS-PPy/BiVO₄中Ni2+/Ni3+转化 onset电位（~0.4 V vs. RHE）较NiOx/BiVO4（~0.6 V）负移了约200 mV。in situ Raman（图5g-h）进一步证实，Ni3+特征峰在SLS-PPy修饰后于更低电位（1.74 V）即出现，而未经修饰样品需1.80 V。上述结果明确表明，SLS-PPy通过界面偶极效应促进了高活性Ni3+的生成，并显著降低了其氧化活化能垒。

✦ 全文小结 ✦

本工作通过在NiOx与BiVO4光阳极之间引入十二烷基磺酸钠掺杂的聚吡咯（SLS-PPy）分子功能层，成功构建了NiOx/SLS-PPy/BiVO4复合光阳极体系。系统表征与理论计算表明，SLS-PPy界面层发挥三重协同作用：一是形成阶梯式能带排列，消除界面空穴传输势垒；二是通过π电子和磺酸根基团钝化界面缺陷，抑制载流子复合；三是借助界面偶极效应诱导Ni2+向高活性Ni3+转化，并降低其氧化电位，加速水氧化动力学。得益于上述协同优化，该光阳极在1.23 V vs. RHE下实现了6.79 mA cm-2的高光电流密度，IPCE达91.1%，ABPE达1.67%，且稳定运行超过72小时。该工作为功能性分子界面工程在高效稳定光阳极设计中的应用提供了新思路。

✦ 作者介绍 ✦

闫俊青，陕西师范大学教授。主要研究方向为：水分解制氧性能提升研究、非贵金属纳米材料不同维度调控制备与HER和OER反应、基于碳材料光电转换研究等。2023年获得陕西省杰出青年基金，在Nature communications，Advanced Materials和Angewandte Chemie International Edition等国际一流期刊上发表论文60余篇。

✦ 文献信息 ✦

K. Tian, D. Zhou, Z. Wang, L. Kong, P. An, J. Zhang, L. Zhu, L. Ye, Y. Ji, Y. Li, S.-T. Lee, T. Ma, J. Yan, Journal of Energy Chemistry 2026, 120, 326.

https://doi.org/10.1016/j.jechem.2026.05.061

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