氫能新突破！南開(kāi)團(tuán)隊(duì)國(guó)際合作成果Nature發(fā)表

北京時(shí)間4月24日晚，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)雜志在線發(fā)表南開(kāi)大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院羅景山教授課題組與英國(guó)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。

該研究題為“High carrier mobility along the [111] orientation in Cu2O photoelectrodes”。團(tuán)隊(duì)基于溶液電化學(xué)外延生長(zhǎng)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，并基于分析結(jié)論開(kāi)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(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)具有重要意義。今年，氫能產(chǎn)業(yè)首次作為前沿新興產(chǎn)業(yè)被寫(xiě)入《政府工作報(bào)告》，是發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的重要方向之一。

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(yáng)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(jiǎn)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(duì)于Cu2O體相內(nèi)載流子的復(fù)合過(guò)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(kāi)大學(xué)羅景山教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合英國(guó)劍橋大學(xué)Samuel D. Stranks教授團(tuán)隊(duì)、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Michael Gr?tzel教授和Anders Hagfeldt教授團(tuán)隊(duì)，采用溶液電化學(xué)Cu2O薄膜外延生長(zhǎng)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(zhǎng)度都相對(duì)更優(yōu)，展現(xiàn)出相對(duì)更大光電流密度。

圖 a 電化學(xué)外延生長(zhǎng)裝置；b單晶外延層在Si襯底上的x射線衍射圖和由EBSD生成的極圖(c)，反射以圓圈突出顯示；晶體取向?yàn)?100) (d)、(110) (e)和(111) (f)的15 nm 單晶Cu2O薄膜的瞬態(tài)反射光譜；g 模擬太陽(yáng)AM1.5 G光照下傳統(tǒng)多晶Cu2O和[111]取向增強(qiáng)多晶Cu2O光電陰極[poly-Cu2O (111)]的電流密度-電壓響應(yīng)曲線；h poly-Cu2O (111)光陰極在0.5 V (vs. RHE) 下穩(wěn)定性測(cè)試及產(chǎn)氫法拉第效率。

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(shì)，最終將Cu2O光電極0.5 V (vs. RHE) 時(shí)的光電流密度提升至7 mA cm?2 （相對(duì)之前電沉積光電極提高70%）。

此外，團(tuán)隊(duì)還探究了不同晶向及相應(yīng)暴露截止面對(duì)Cu2O光電極穩(wěn)定性的影響，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。

據(jù)介紹，該成果創(chuàng)新性地開(kāi)發(fā)了溶液電化學(xué)外延生長(zhǎng)制備單晶Cu2O薄膜技術(shù)，量化分析了不同晶面取向Cu2O薄膜的光電特性，揭示了不同晶向光電特性對(duì)體相載流子復(fù)合的影響行為。

基于此發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)通過(guò)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。

這些發(fā)現(xiàn)為氧化物在光伏、晶體管、探測(cè)器以及太陽(yáng)燃料等領(lǐng)域的改性提升提供了一種廣泛適用的策略。

羅景山教授團(tuán)隊(duì)多年來(lái)一直聚焦提升Cu2O光電催化制氫性能，曾采用納米結(jié)構(gòu)策略使Cu2O光陰極飽和光電流密度在國(guó)際上首次達(dá)到10 mA  cm?2 (Nano Letters, 2016, 16, 1848–1857)，隨后在此基礎(chǔ)上采用新型Ga2O3電子傳輸層，成功將Cu2O光陰極的產(chǎn)氫起始電位提高至1 V (vs. RHE)的記錄值(Nature Catalysis, 2018, 1, 412–420)；系統(tǒng)研究了Cu2O光電極的降解機(jī)制(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 46, 55080–55091)；最近，基于雙界面層策略進(jìn)一步將Cu2O光電極光電壓提升至1.07 V (Nature Communications, 2023, 14, 7228)。

南開(kāi)大學(xué)為該項(xiàng)工作的通訊單位之一，電子信息與光學(xué)工程學(xué)院羅景山教授為該論文的共同通訊作者。