氫燃料電池展據4月24日晚，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)雜志在線(xiàn)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劍橋大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)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(jìn)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(xué)外延生長(cháng)技術(shù)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(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)現碳達峰碳中和目標具有重要意義。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型半導體，具有原材料儲備豐富、制備方法簡(jiǎn)便、較窄的帶隙以及合適的能級位置等優(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體相內載流子的復合過(guò)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(kāi)大學(xué)羅景山教授團隊聯(lián)合英國劍橋大學(xué)Samuel D. Stranks教授團隊、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Michael Gratzel教授和Anders Hagfeldt教授團隊，采用溶液電化學(xué)Cu2O薄膜外延生長(cháng)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(cháng)度都相對更優(yōu)，展現出相對更大光電流密度。

圖a 電化學(xué)外延生長(cháng)裝置;b 單晶外延層在Si襯底上的x射線(xiàn)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(tài)反射光譜;g 模擬太陽(yáng)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(xiàn);h poly-Cu2O (111)光陰極在0.5 V (vs. RHE) 下穩定性測試及產(chǎn)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(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(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(yōu)異的穩定性。

據介紹，該成果創(chuàng )新性地開(kāi)發(fā)了溶液電化學(xué)外延生長(cháng)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體相載流子復合的影響行為。

基于此發(fā)現，團隊通過(guò)進(jìn)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(fā)現為氧化物在光伏、晶體管、探測器以及太陽(yáng)燃料等領(lǐng)域的改性提升提供了一種廣泛適用的策略。

羅景山教授團隊多年來(lái)一直聚焦提升Cu2O光電催化制氫性能，曾采用納米結構策略使Cu2O光陰極飽和光電流密度在國際上首次達到10 mAcm-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(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(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。

特別推薦：國際氫能與燃料電池展參觀(guān)報名  國際氫能與燃料電池展展位預定