氫能新突破！南開團隊國際合作成果Nature發表

北京時間4月24日晚，國際頂級學術期刊《自然》(Nature)雜志在線發表南開大學電子信息與光學工程學院羅景山教授課題組與英國劍橋大學、瑞士洛桑聯邦理工學院團隊在光電催化水分解制氫領域取得的聯合研究進展。

該研究題為“High carrier mobility along the [111] orientation in Cu2O photoelectrodes”。團隊基于溶液電化學外延生長技術制備了三種不同取向的單晶氧化亞銅（Cu2O）薄膜，結合飛秒瞬態反射光譜量化分析了Cu2O各向異性光電特性，并基于分析結論開發制備了以[111]為主要晶體取向的多晶Cu2O光電極，實現了光電催化制氫性能的突破。

氫能具有零碳、綠色、能量密度高等優點，對實現碳達峰碳中和目標具有重要意義。今年，氫能產業首次作為前沿新興產業被寫入《政府工作報告》，是發展新質生產力的重要方向之一。

氫能產業全面崛起的關鍵在于降低綠氫制備成本。光電催化水分解技術可以將間歇性的太陽能直接轉化為氫能，是一種極具潛力的可再生能源技術。Cu2O作為天然p型半導體，具有原材料儲備豐富、制備方法簡便、較窄的帶隙以及合適的能級位置等優點，是高效廉價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鍵。目前學界對于Cu2O體相內載流子的復合過程研究較少。

為了揭示不同晶體取向對Cu2O體相內載流子復合的影響機制，南開大學羅景山教授團隊聯合英國劍橋大學Samuel D. Stranks教授團隊、瑞士洛桑聯邦理工學院Michael Gr?tzel教授和Anders Hagfeldt教授團隊，采用溶液電化學Cu2O薄膜外延生長技術，成功制備出[111]、[110]和[100]晶體取向的單晶Cu2O光電極。

隨后，團隊分析了不同晶體取向Cu2O電極的光電特性，結果顯示單晶Cu2O沿[111]晶向的載流子遷移率、電導率和載流子擴散長度都相對更優，展現出相對更大光電流密度。

圖 a 電化學外延生長裝置；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；晶體取向為(100) (d)、(110) (e)和(111) (f)的15 nm 單晶Cu2O薄膜的瞬態反射光譜；g 模擬太陽AM1.5 G光照下傳統多晶Cu2O和[111]取向增強多晶Cu2O光電陰極[poly-Cu2O (111)]的電流密度-電壓響應曲線；h poly-Cu2O (111)光陰極在0.5 V (vs. RHE) 下穩定性測試及產氫法拉第效率。

基于分析結果，團隊成功制備出具有高純度[111]晶體取向的多晶Cu2O光電極，展現了[111]方向電子特性的優勢，最終將Cu2O光電極0.5 V (vs. RHE) 時的光電流密度提升至7 mA cm?2 （相對之前電沉積光電極提高70%）。

此外，團隊還探究了不同晶向及相應暴露截止面對Cu2O光電極穩定性的影響，揭示了[111]晶向和(111)晶面截止暴露面賦予了Cu2O光陰極更加優異的穩定性。

據介紹，該成果創新性地開發了溶液電化學外延生長制備單晶Cu2O薄膜技術，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體相載流子復合的影響行為。

基于此發現，團隊通過進一步增強多晶Cu2O光電極的[111]晶向，刷新了平板Cu2O光陰極光電催化性能。

這些發現為氧化物在光伏、晶體管、探測器以及太陽燃料等領域的改性提升提供了一種廣泛適用的策略。

羅景山教授團隊多年來一直聚焦提升Cu2O光電催化制氫性能，曾采用納米結構策略使Cu2O光陰極飽和光電流密度在國際上首次達到10 mA  cm?2 (Nano Letters, 2016, 16, 1848–1857)，隨后在此基礎上采用新型Ga2O3電子傳輸層，成功將Cu2O光陰極的產氫起始電位提高至1 V (vs. RHE)的記錄值(Nature Catalysis, 2018, 1, 412–420)；系統研究了Cu2O光電極的降解機制(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 46, 55080–55091)；最近，基于雙界面層策略進一步將Cu2O光電極光電壓提升至1.07 V (Nature Communications, 2023, 14, 7228)。

南開大學為該項工作的通訊單位之一，電子信息與光學工程學院羅景山教授為該論文的共同通訊作者。