中國科學技術大學團隊研究實現(xiàn)人工光合作用高效穩(wěn)定制氫

中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（記者 方夢宇）記者近日從中國科學技術大學獲悉，該校孫海定教授團隊、熊宇杰教授團隊聯(lián)合武漢大學劉勝院士團隊，通過創(chuàng)新設計一種晶圓級可制造的新型硅基氮化鎵納米線光電極結構，實現(xiàn)了高達10.36%的半電池太陽能制氫效率，并在高電流密度下穩(wěn)定產(chǎn)氫超過800小時，首次將光電極使用壽命從小于100小時的“小時級”推進至“月級”，成功突破傳統(tǒng)光電制氫裝置在效率和可靠性上的瓶頸，達到國際領先水平，為下一步規(guī)?；茪鋺么蛳禄A。該成果日前發(fā)表于Nature Communications（《自然-通訊》）。

光電化學水分解是一種通過陽光和水直接轉化為綠色氫氣的技術，因其環(huán)保且可持續(xù)的特點，已成為清潔能源領域的重要研究方向。在光電化學水分解中，光電極的催化活性和長期穩(wěn)定性是實現(xiàn)高效、可靠氫氣生產(chǎn)的關鍵。然而，許多傳統(tǒng)光電極材料如硅、金屬氧化物等易發(fā)生光腐蝕與化學腐蝕，并且催化劑與半導體界面結合弱，導致助催化劑脫落與催化活性衰減，從而限制了光電極的長期耐久性。

針對這一挑戰(zhàn)，團隊設計并制備了一種可大規(guī)模生產(chǎn)的新型一維/三維異質異構的光電極結構，由一維氮化鎵納米線陣列和三維硅太陽能電池襯底構成，并首次通過一維氮化鎵極性晶面重構策略，通過簡單的堿性刻蝕策略暴露出氮化鎵內部的（10-1-1）晶面，加載金納米顆粒作為助催化劑以此構筑新型的助催化劑/半導體界面，在原子尺度上實現(xiàn)氮化物半導體與助催化劑的電子耦合。

實驗數(shù)據(jù)印證了這一突破性設計的優(yōu)勢：器件在一個太陽光的照射下獲得10.36%的半電池太陽能制氫效率，而且在高電流密度下穩(wěn)定產(chǎn)氫超過800小時，首次將光電極使用壽命從“小時級”推進至“月級”。這一顯著提升的性能，主要得益于氮化鎵（10-1-1）晶面與金納米顆粒之間的強耦合作用，不僅優(yōu)化了金納米顆粒的電子結構，提高了氫吸附自由能，進而增強了析氫反應的催化活性，同時還提高了氮化鎵納米線表面對金納米顆粒的錨定能力，防止了反應過程中金納米顆粒的脫落，避免催化活性衰減。

這項研究有效解決了傳統(tǒng)三五族化合物半導體如氮化物等與助催化劑界面結合弱的共性難題，為改善三五族化合物半導體/助催化劑界面提供了一條簡單有效的途徑。所提出的晶面—催化劑界面調控策略顯著提升了光電極的催化活性和長期穩(wěn)定性，且可拓展至其他化合物半導體及催化反應體系，為氮化物半導體在人工光合反應中的廣泛應用奠定了基礎，有望在能源轉換領域發(fā)揮重要作用，為全球能源轉型和可持續(xù)發(fā)展提供強有力的技術支持。