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Electronic States Modulation of BiVO 4 with Transition Metal-Substituted Polyoxometalates to Activate Lattice Oxygen Mechanism for Efficient Water Oxidation

化学 过渡金属 机制(生物学) 氧气 格子(音乐) 金属 电子结构 调制(音乐) 化学物理 光化学 结晶学 无机化学 催化作用 计算化学 有机化学 哲学 物理 认识论 美学 声学
作者
Zhaohui Li,Faheem Abbas,Fangfang Feng,Keming Gao,Yanli Liu,Zenghui Wu,Ze Zhang,Xionghui Fu,Yi Zhu,Yuanming Zhang,Yongge Wei
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (43): 39169-39180
标识
DOI:10.1021/jacs.5c09257
摘要

Oxygen evolution reaction (OER) is the bottleneck of photoelectrochemical (PEC) water splitting. Activating the lattice oxygen mechanism (LOM) can break the limitation of the slow O-O coupling and accelerate the water oxidation kinetics. However, the current methods for activating LOM are limited and it is crucial to develop new strategies to induce LOM. Herein, we have modified BiVO4 with transition metal-substituted silicotungstate (X3SiW9, X = Co, Ni, Cu) to form X3SiW9-BiVO4 photoanodes, triggering the LOM by surface modification for the first time. X3SiW9 can modulate the electronic structure of BiVO4, resulting in an upward shift of the O 2p energy band position relative to the metal 3d energy band, increasing the overlap of the metal and oxygen orbital energy levels, and enhancing covalency between metal and oxygen, which facilitates the activation of the lattice oxygen, thus triggering the LOM and significantly improving the OER activity of BiVO4. The enhancement of the OER activity depends on the influence of X3SiW9 on the electronic state. Among them, Co3SiW9 has the greatest influence on the electronic state of BiVO4. Therefore, Co3SiW9-BiVO4 exhibits the highest photocurrent density of 4.13 mA cm-2 at 1.23 VRHE, four times higher than that of BiVO4 (1.02 mA cm-2). This work modifies the photoanode with transition metal-substituted polyoxometalates to modulate the energy levels of metal and oxygen to activate LOM for significantly enhanced OER activity, which provides new strategies and perspectives on the design and application of polyoxometalates for efficient OER in PEC water splitting.
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