光電化學電池(PEC)分解水是一種將太陽能轉化為化學能的環(huán)保且可持續(xù)的方法。BiVO₄(BVO)因其合適的帶隙(2.4-2.5 eV)和深價帶邊緣，可實現(xiàn)可見光收集和水氧化而被認為是最有前途的光陽極材料之一。但是，BVO的空穴擴散長度很短(只有70 nm)，因此在表面/電解質界面會發(fā)生快速的電荷復合，這限制了BVO在PEC電池中的水氧化效率。

基于此，復旦大學胡可課題組將BiVO₄、硫化鎘納米片(CdS NSs)、空穴傳輸分子(HTs)和析氧助催化劑(OECs)以級聯(lián)帶排列順序組裝，以實現(xiàn)對OEC高效的光生空穴提取和積累。

在BVO上使用CdS NS覆蓋層(BVO|CdS)有三重作用：1:與BVO形成異質結，從BVO中的光生電子-空穴對中提取空穴；2.提供適合二硫醇鹽形成分子單層的表面；3.提高BVO(e^–)和HT⁺之間電荷復合的能量勢壘。此外，研究人員在BVO|CdS上進一步構建了一系列具有可調能帶的空穴傳輸分子(HT)，包括咔唑、三苯胺和吩噻嗪衍生物(分別表示為CZ、TPA和PTZ)。

HT均勻地錨定在CdS NS的表面上，通過二硫醇鹽基團形成分子單層，具有合適熱力學驅動力的HT可以快速提取光生空穴，然后氧化的HT、HT⁺在相鄰的HT之間等能跳躍并最終積累OEC的氧化等效物；最后，外表面涂有一層薄薄的OEC(CoBi)，通過異質結構的級聯(lián)能帶排列，光生空穴被強烈地從BVO驅動到外CoBi表面，以實現(xiàn)有效的水氧化。瞬態(tài)吸收光譜和強度調制光電流光譜表征證明，夾在BVO和OEC之間的HT錨定CdS NS層極大地增強了界面空穴轉移的動力學(比純BVO高52倍)并有效抑制了表面累積空穴與BVO導帶電子的復合，從而顯著提高PEC水氧化的性能。

Rapid Hole Extraction Based on Cascade Band Alignment Boosts Photoelectrochemical Water Oxidation Efficiency. ACS Catalysis, 2022. DOI: 10.1021/acscatal.2c02773