南开大学在光电催化水分解制氢领域取得进展

4月24日晚《自然》在线发表了南开大学电子信息与光学工程学院教授罗景山课题组与英国剑桥大学、瑞士洛桑联邦理工学院团队，在光电催化水分解制氢领域取得的联合研究进展。

团队基于溶液电化学外延生长技术制备了三种不同取向的单晶氧化亚铜（Cu2O）薄膜，结合飞秒瞬态反射光谱量化分析了Cu2O各向异性光电特性，并根据分析结论开发制备了以[111]为主要晶体取向的多晶Cu2O光电极，实现了光电催化制氢性能的突破。

氢能具有零碳、绿色、能量密度高等优点，对实现碳达峰碳中和目标具有重要意义。氢能产业全面崛起的关键在于降低绿氢制备成本。光电催化水分解技术可以将间歇性的太阳能直接转化为氢能，是一种极具潜力的可再生能源技术。Cu2O作为天然p型半导体，具有原材料储备丰富、制备方法简便、较窄的带隙以及合适的能级位置等优点，是高效廉价光电催化制氢电极的“明星”材料。

在提高Cu2O光电催化性能方面，光生载流子分离和传输效率的提升是关键。目前学界对于Cu2O体相内载流子的复合过程研究较少。

为了揭示不同晶体取向对Cu2O体相内载流子复合的影响机制，南开大学教授罗景山团队联合剑桥大学和洛桑联邦理工学院团队，采用溶液电化学Cu2O薄膜外延生长技术，成功制备出[111]、[110]和[100]晶体取向的单晶Cu2O光电极。

随后，团队分析了不同晶体取向Cu2O光电极的光电特性，结果显示单晶Cu2O沿[111]晶向的载流子迁移率、电导率和载流子扩散长度都相对更优，展现出相对更大光电流密度。

基于分析结果，团队成功制备出具有高纯度[111]晶体取向的多晶Cu2O光电极，展现了[111]方向电子特性的优势，最终将Cu2O光电极0.5V(vs.RHE)时的光电流密度提升至7mAcm-2。

此外，团队还揭示了[111]晶向和(111)晶面截止暴露面赋予了Cu2O光阴极更加优异的稳定性。

基于此发现，团队通过进一步增强多晶Cu2O光电极的[111]晶向，刷新了平板Cu2O光阴极光电催化性能。“在光电催化制氢中，使用Cu2O代替硅能，大幅降低制作成本，但在应用中Cu2O稳定性较差。目前我们研究的多晶Cu2O光电极比现在最先进的光电极在性能上提高了70%以上，有望在光伏、晶体管、探测器以及太阳燃料等领域发挥更大的作用。”罗景山介绍。