南開大學團隊國際合作實現(xiàn)制氫領(lǐng)域新突破

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

團隊基于溶液電化學外延生長技術(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，對實現(xiàn)碳達峰碳中和目標具有重要意義。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(yōu)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(guān)鍵。目前學界對于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)合的影響機制，南開大學教授羅景山團隊聯(lián)合劍橋大學和洛桑聯(lián)邦理工學院團隊，采用溶液電化學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，團隊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(xiàn)了[111]方向電子特性的優(yōu)勢，最終將Cu2O光電極0.5V(vs.RHE)時的光電流密度提升至7mAcm-2。

此外，團隊還揭示了[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。“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。