基于半导体材料的光解水技术是太阳能制氢的重要途径，但光生载流子易复合、表面逆反应严重，制约了效率提升。全固态Z型异质结通过导电介质将两种半导体串联，既能提供高驱动力，又能把光生电子和空穴分别导向不同组分，因而备受关注。然而，传统颗粒型Z型体系多依赖颗粒间随机接触，电荷转移路径不可控，反而容易加剧复合，限制载流子利用效率。

针对这一难题，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心的太阳能与氢能材料研究团队提出了一种有序图案化策略。研究人员通过光刻技术在FTO导电基底上构筑p型四方锆石BiVO₄（t-BVO）与n型单斜白钨矿BiVO₄（m-BVO）交替条纹，利用FTO介导Z-scheme电荷转移，实现光生电子和空穴的空间分离，有效抑制复合与逆反应，显著提升光催化全解水性能。相关成果以“Patterning p-Type and n-Type BiVO₄ for Solar-Driven Water Splitting”为题发表于《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）。

图案化集成过程如图1所示：先以金属有机分解法在FTO上制备m-BVO薄膜，再通过光刻和湿法刻蚀形成条纹图案，随后在暴露的FTO区域用水热法外延生长t-BVO，最终获得约15 μm宽的t-BVO/m-BVO交替条纹面板。光化学沉积、表面光电压成像、开尔文探针力显微镜以及表面光电压等表征结果（图2、图3）表明，FTO作为导电介质在相邻条纹间建立了Z-scheme电荷转移通道：光生电子富集于p型t-BVO，光生空穴富集于n型m-BVO。基于此，研究团队将Rh@CrOₓ选择性光沉积在t-BVO条纹上作为析氢助催化剂，将MnOₓ选择性沉积在m-BVO条纹上作为析氧助催化剂，实现了氧化/还原位点的空间分离，进一步抑制电荷复合和逆反应。

在全光谱照射下，图案化面板实现了化学计量比全分解水，1小时内产氢气1.77 mmol·m⁻²、产氧气0.84 mmol·m⁻²，较未图案化对照提升约4倍。

该工作证明，将半导体有序图案化并借助导电基底介导Z-scheme电荷转移，是提升光催化全分解水性能的有效策略，为规模化光催化面板设计提供了新思路。

该工作得到了国家重点研发计划、中国科学院先导专项B类、国家自然科学基金、科学探索奖等相关项目资助。

全文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.71670

图1. 图案化t-BVO//m-BVO半导体光催化材料面板的构筑

图2. 光化学沉积示踪揭示光生电荷的空间分离

图3. 表面光电压表征验证FTO介导的Z型电荷转移