Enabling Directional Hole Extraction via NiO x Nanoseeding of Localized Gradient Oxygen Vacancies in BiVO 4 for Underwater Ultraweak Light Photoelectrochemical Detection

材料科学 光电流 非阻塞I/O 光电子学 耗尽区 带材弯曲 电荷(物理) 扩散 纳米团簇 载流子 化学物理 弯曲 电极 氧气 析氧 光电探测器 分子物理学 空位缺陷 半导体 带隙 电导
作者
Yang Li,Tangying Miao,Gu Xm,Hengming Huang,Wen Li,Jiahui Kou,Chunhua Lu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:36 (58)
标识
DOI:10.1002/adfm.76692
摘要

ABSTRACT Self‐powered photoelectrochemical photodetectors are promising for sustainable underwater optoelectronics. However, severe charge recombination under zero bias hinders their ultraweak light (<0.05 mW/cm 2 ) detection in marine environments. While oxygen vacancy (V O ) gradients improve carrier direction by deepening band bending to synergize with junction‐built‐in fields, existing studies focus on homogeneous gradient V O , causing chaotic lateral diffusion and non‐negligible recombination. Here, we propose a bio‐inspired “seeds‐taking‐root” strategy to construct localized V O gradients within 3D nanocoral‐like BiVO 4 . Through one‐step sintering, Ni seeds selectively extract O from BiVO 4 via strong Ni‐O interactions, simultaneously forming NiO x nanoclusters and NiO x ‐anchored localized gradient V O , leading to confined charge transfer pathways with localized space charge regions and unidirectional band bending for highly directional hole extraction. The structure achieves 82.5% charge separation efficiency at 1.23 V RHE (1.7 times than pristine BiVO 4 ), enabling efficient self‐powered broadband operation (365–940 nm). Even at 0.02 mW/cm 2 (matching real underwater light levels) in artificial seawater, it achieves a photoresponsivity of 43.82 ± 0.52 mA/W. It exhibits robust stability with over 50 h continuous operation and 98.5% photocurrent retention after one week in seawater. This seed‐mediated strategy for constructing directional charge transport channels offers a viable pathway for high‐performance optoelectronics in energy‐limited environments.
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