《自然》4月24日晚在線發(fā)表了南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院教授羅景山課題組與英國劍橋大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)，在光電催化水分解制氫領(lǐng)域取得的聯(lián)合研究進(jìn)展。

團(tuán)隊(duì)基于溶液電化學(xué)外延生長技術(shù)制備了三種不同取向的單晶氧化亞銅（Cu2O）薄膜，結(jié)合飛秒瞬態(tài)反射光譜量化分析了Cu2O各向異性光電特性，并根據(jù)分析結(jié)論開發(fā)制備了以[111]為主要晶體取向的多晶Cu2O光電極，實(shí)現(xiàn)了光電催化制氫性能的突破。

氫能具有零碳、綠色、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，對實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)具有重要意義。氫能產(chǎn)業(yè)全面崛起的關(guān)鍵在于降低綠氫制備成本。光電催化水分解技術(shù)可以將間歇性的太陽能直接轉(zhuǎn)化為氫能，是一種極具潛力的可再生能源技術(shù)。Cu2O作為天然p型半導(dǎo)體，具有原材料儲(chǔ)備豐富、制備方法簡便、較窄的帶隙以及合適的能級(jí)位置等優(yōu)點(diǎn)，是高效廉價(jià)光電催化制氫電極的“明星”材料。

在提高Cu2O光電催化性能方面，光生載流子分離和傳輸效率的提升是關(guān)鍵。目前學(xué)界對于Cu2O體相內(nèi)載流子的復(fù)合過程研究較少。

為了揭示不同晶體取向?qū)u2O體相內(nèi)載流子復(fù)合的影響機(jī)制，南開大學(xué)教授羅景山團(tuán)隊(duì)聯(lián)合劍橋大學(xué)和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)，采用溶液電化學(xué)Cu2O薄膜外延生長技術(shù)，成功制備出[111]、[110]和[100]晶體取向的單晶Cu2O光電極。

隨后，團(tuán)隊(duì)分析了不同晶體取向Cu2O光電極的光電特性，結(jié)果顯示單晶Cu2O沿[111]晶向的載流子遷移率、電導(dǎo)率和載流子擴(kuò)散長度都相對更優(yōu)，展現(xiàn)出相對更大光電流密度。

基于分析結(jié)果，團(tuán)隊(duì)成功制備出具有高純度[111]晶體取向的多晶Cu2O光電極，展現(xiàn)了[111]方向電子特性的優(yōu)勢，最終將Cu2O光電極0.5V(vs.RHE)時(shí)的光電流密度提升至7mAcm-2。

此外，團(tuán)隊(duì)還揭示了[111]晶向和(111)晶面截止暴露面賦予了Cu2O光陰極更加優(yōu)異的穩(wěn)定性。

基于此發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)通過進(jìn)一步增強(qiáng)多晶Cu2O光電極的[111]晶向，刷新了平板Cu2O光陰極光電催化性能。“在光電催化制氫中，使用Cu2O代替硅能，大幅降低制作成本，但在應(yīng)用中Cu2O穩(wěn)定性較差。目前我們研究的多晶Cu2O光電極比現(xiàn)在最先進(jìn)的光電極在性能上提高了70%以上，有望在光伏、晶體管、探測器以及太陽燃料等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。”羅景山介紹。