直接光电化学（PEC）水分解是一种很有前途的太阳能转换解决方案。然而，为了增强PEC性能，解决固有的电荷传输是一个紧迫的任务。

近日，大连理工大学侯军刚教授报道了开发了一种通用的耦合策略来设计原子分散的M-N₄ 位点 (M = Ni、Co和Fe)，与掺入析氧助催化剂（OECs: FeOOH、NiOOH、NiOOH/FeOOH）和BiVO₄光阳极之间的轴向氧原子配位（M-N₄-O），促进光生电子空穴分离，从而提高PEC活性。

文章要点

1）研究人员首先制备了生长在衬底上的纳米孔BiVO₄阵列。然后，在氩气气氛下对超分子前驱体进行碳化。经酸浸、超声波处理后，得到单原子M-N₄（M=Ni、Co和Fe）。通过旋涂和热处理，在BiVO₄阵列（M-N₄-O/BiVO₄）表面引入了原子分散的M-N₄-O部分。最后，将NiOOH、FeOOH、NiOOH/FeOOH OEC层分别光电沉积在M-N₄-O/BiVO4阵列上，形成OEC/M-N₄-O/BiVO₄阵列。

2）研究人员通过像差校正的大角度环形暗场扫描透射电子显微镜、扩展的X射线吸收精细结构和X射线吸收近边缘结构鉴定了Ni-N₄和Ni-N₄-O部分的局部原子配位构型。

3）值得注意的是，这种最先进的FeOOH/Ni-N₄-O/BiVO₄光阳极在1.23 V （vs RHE）下实现了创纪录的6.0 mA cm^-2的光电流密度，是BiVO₄的大约3.97倍，并实现了出色的长期光稳定性。

4）研究人员根据X光吸收精细结构分析和密度泛函理论（DFT）计算，将FeOOH/Ni-N₄-O/BiVO₄光阳极增强的PEC性能归因于在OEC/BiVO₄中构建了单原子Ni-N₄-O部分，其促进了空穴从BiVO₄转移到OEC，降低了自由能垒，并加速了实际PEC水分解的反应动力学。

参考文献

Xiaomeng Zhang, et al, Engineering Single-Atomic Ni‑N₄‑O Sites on Semiconductor Photoanodes for High-Performance Photoelectrochemical Water Splitting, J. Am. Chem. Soc., 2021

DOI: 10.1021/jacs.1c07391

https://doi.org/10.1021/jacs.1c07391