該研究由城大能源及環境學院（SEE）副教授吳永豪博士，以及德國的學者共同領導。有關研究成果已在科學期刊《ACS Energy Letters》上發表，題為〈Unveiling Carrier Dynamics in Periodic Porous BiVO₄Photocatalyst for Enhanced Solar Water Splitting〉。

本來只產氧的光催化劑新增產氫功能

吳博士是研究光催化的專家。他指出，一般用於分解水的光催化劑只能吸收光譜中的紫外光，但那只占太陽光大約4%的能量。而釩酸鉍（BiVO₄）是一種對可見光及紫外光都有反應的氧化金屬光催化劑，令可吸收的太陽光光譜大增至約30%。當中，以具有三維有序大孔結構（3D-ordered macroporous, 3DOM）的釩酸鉍的光催化效果最佳，許多研究都將原因歸於有序及呈孔狀的結構提供了更大的表面積丶更能吸收光丶抑制電荷重組，因此提升了光催化的活性。

不過，對於光活性如何受高度有序孔狀納米結構中的電荷傳輸所影響，科學界似乎未有系統性的研究。就此，研究團隊探究了釩酸鉍在3DOM結構，和片狀時的載流子動力學（carrier dynamics），及其在光催化水分解過程中的效能。

團隊發現對比起片狀，釩酸鉍具3DOM結構時，在可見光的照射下分解水會產生接近兩倍的氧氣，陽極光電流密度（anodic photocurrent density）亦更高，因此具有更高的光催化效能。吳博士進一步說："更令人意外的發現是，本來用以生產氧氣的釩酸鉍，原來在3DOM結構時照射可見光，從水不但可產生氧，還可產生氫，這是從未被報導過的。"

 

首次發現量子限域效應

那為什麼3DOM結構的釩酸鉍可以產氫呢？論文的第一作者兼吳博士實驗室能源項目負責人吳昊博士，點出是次研究的嶄新發現說："我們發現在3DOM釩酸鉍只有5納米的超薄結晶內壁，出現了量子限域（Quantum confinement，即當材料的體積縮小至納米級別時，能級和帶隙會出現變化），因此提高了導帶（conduction band）能級位置，促成生產氫氣的還原反應，所以這種光催化劑才在可見光的照射下，由水分解出氫氣。"

吳永豪博士補充說："一般釩酸鉍因為導帶位置的關系，是不能生產出氫氣的。現時歸功於量子限域效應，提高了導帶能級位置才可以產氫。這也是科學界首次發現3DOM結構釩酸鉍的量子限域效應。"

團隊更發現無需使用助催化劑（cocatalyst），3DOM結構釩酸鉍於可見光照射下，仍然可以從實驗所用的溶液中生產出氫氣，而片狀的釩酸鉍則幾乎毫無產量。助催化劑是協助催化劑發揮作用的物質，活性很低，作用一般是捕獲電子丶促進載流子分離等。

吳永豪博士以及來自亥姆霍茨柏林研究中心太陽能燃料研究所（Institute for Solar Fuels, Helmholtz-Zentrum Berlin, HZB）的Fatwa F. Abdi博士，均是論文的通訊作者。而第一作者是城大SEE的博士后研究員吳昊博士。同樣來自SEE的博士后鍾凱盈博士亦有參與研究。其他研究人員則來自HZB和北京工業大學。