近日，医化学院熊贤强博士在化学领域国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》（IF=16.6）上发表题为“Gradient Valence Engineering Synchronizes Charge-Carrier and Catalytic Dynamics for Efficient Solar Water Oxidation”的研究论文。
该工作受自然光合作用系统II中精准时空协同机制的启发，针对光电化学水分解中长期存在的“快分离、慢反应”动力学失配难题，提出了一种全新的“梯度价态工程”策略。该工作通过在钒酸铋（BiVO4）光阳极表面可控构筑一层非晶Fe-HOTP金属有机框架（MOF），并利用精确的还原-氧化处理，成功在该MOF层中创建了从半导体界面处电子富集的Feδ+（δ<2）到电解液界面处高度氧化态Fe3+的连续价态梯度。这一创新架构同时实现了超快空穴注入（<5 ps）、载流子寿命大幅延长至0.03秒以及表面Fe3+/Fe4+高活性位点催化转换频率达82 s-1，从而在时空上完美同步了电荷分离与表面水氧化动力学。得益于这种时空协同，该光阳极在标准光照下取得了6.1 mA cm-2的高光电流密度，且在30小时连续测试中衰减仅2%，与硅太阳能电池串联后无偏压太阳能-氢气转换效率达到4.58%。此外，该体系在甘油选择性氧化为二羟基丙酮的反应中还展现出61%的选择性和高产率，彰显了其良好的普适性。
该成果为设计高效稳定的人工光合系统提供了全新的设计范式和理论指导，熊贤强博士为论文第一通讯作者，台州学院为第一通讯单位。
图1 材料设计策略
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.5670116
