2025年，吉林大学崔小强团队在 Advanced Functional Materials 期刊上发表了一项重要研究成果，题为“Balanced Spin-State Energy Level Splitting Boosts Photoelectrochemical Water Oxidation on Amorphous NiFeAl-LDH Engineered BiVO4”。针对BiVO4光电化学体系中非晶析氧助催化剂性能优于晶态体系但其内在机制尚不清晰的问题，研究团队在BiVO4表面构建了非晶三元NiFeAl层状双氢氧化物（LDH）。研究表明，非晶结构引入的无序性能够增强与BiVO4之间的界面相互作用，诱导畸变的配位结构形成，并引起Ni³⁺价电子轨道由简并向非简并分裂，同时伴随自旋态由高自旋向低自旋转变。基于上述调控，所得BiVO4/NiFeAl-LDH非晶光阳极在1.23 V vs RHE下的光电流密度达到5.78 mA cm⁻²，在0.62 V vs RHE下的光电转换效率达到2.21%，显著优于晶态对照样品。该工作建立了非晶化结构与自旋态调控之间的关联关系，为高效光电化学水分解体系的设计提供了新的思路。

该研究依托吉大测试中心的X射线光电子能谱仪（XPS，型号ESCALAB QXI），系统揭示了材料界面电子结构变化及电荷转移行为。

图1 XPS表征揭示BiVO4/NiFeAl-LDH界面电荷转移与电子结构变化

通过X射线光电子能谱（XPS）对材料表面元素组成及化学状态进行分析可以看出，BVO中Bi和V分别以Bi³⁺和V5+形式存在。负载NiFeAl-LDH后，Bi和V的结合能整体向高结合能方向移动，表明电子由BVO向NiFeAl-LDH转移；且在非晶体系中该变化更加明显，说明其与BVO之间具有更强的界面相互作用。进一步对Ni 2p和Fe 2p谱进行拟合可分辨出Ni³⁺和Fe²⁺特征峰，表明电子在助催化层中发生富集。与晶态样品相比，非晶体系中Ni³⁺/Ni_total和Fe²⁺/Fe_total比例分别由47.1%提高至52.5%和由37.4%提高至48.9%，说明非晶结构显著调控了表面电子分布。综合分析表明，非晶NiFeAl-LDH能够增强界面电荷转移并强化界面相互作用，是提升材料性能的重要因素。

该研究通过在BiVO4光阳极表面构建非晶NiFeAl-LDH层，阐明了非晶助催化剂优于晶态体系的内在机制。从电子自旋态调控角度出发，非晶结构引入的无序性增强了界面耦合，诱导畸变配位结构的形成，并引起Ni³⁺价电子轨道重新分布，同时伴随自旋态由高自旋向低自旋转变。结合XPS结果所揭示的界面电荷转移与电子结构变化，建立了非晶化结构与自旋态调控之间的直接关联。优化后的BiVO4/NiFeAl-LDH非晶光阳极在1.23 V vs RHE下实现5.78 mA cm-²的光电流密度，在0.62 V vs RHE下ABPE达到2.21%，显著优于晶态对照样品。该工作从机制层面为高性能光电化学析氧催化剂的设计提供了新的思路，并为非晶材料在能源转化领域的应用开辟了新的方向。


参考文献

Fang G Z, Zhang D T, Zhang X L, et al. Balanced Spin-State Energy Level Splitting Boosts Photoelectrochemical Water Oxidation on Amorphous NiFeAl-LDH Engineered BiVO4[J]. Advanced Functional Materials, 2025, e18870. DOI: 10.1002/adfm.202518870.


原文链接

https://doi.org/10.1002/adfm.202518870


支撑文章表征测试的设备：X射线光电子能谱仪（XPS，ESCALAB QXI）

仪器介绍：X射线光电子能谱仪（XPS）包括Al/Mg双阳极、微区XPS、平行成像XPS、ARXPS角分辨分析、离子散射谱功能（ISS功能）、同轴反射电子能量损失谱装置（REELS功能）、超高真空测量装置功能、UPS紫外光电子能谱分析、复合氩团簇离子枪刻蚀套件、自动化五轴样品台，分析室和样品准备室带有加热冷却功能，原位光催化套件，手套箱进样腔。


仪器位置：

吉林大学前卫南区文科实验楼104


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