中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)研究實(shí)現(xiàn)人工光合作用高效穩(wěn)定制氫

中國(guó)教育報(bào)-中國(guó)教育新聞網(wǎng)訊（記者 方夢(mèng)宇）記者近日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校孫海定教授團(tuán)隊(duì)、熊宇杰教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合武漢大學(xué)劉勝院士團(tuán)隊(duì)，通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)一種晶圓級(jí)可制造的新型硅基氮化鎵納米線光電極結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)10.36%的半電池太陽(yáng)能制氫效率，并在高電流密度下穩(wěn)定產(chǎn)氫超過(guò)800小時(shí)，首次將光電極使用壽命從小于100小時(shí)的“小時(shí)級(jí)”推進(jìn)至“月級(jí)”，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(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，為下一步規(guī)?；茪鋺?yīng)用打下基礎(chǔ)。該成果日前發(fā)表于Nature Communications（《自然-通訊》）。

光電化學(xué)水分解是一種通過(guò)陽(yáng)光和水直接轉(zhuǎn)化為綠色氫氣的技術(shù)，因其環(huán)保且可持續(xù)的特點(diǎn)，已成為清潔能源領(lǐng)域的重要研究方向。在光電化學(xué)水分解中，光電極的催化活性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)高效、可靠氫氣生產(chǎn)的關(guān)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(xué)腐蝕，并且催化劑與半導(dǎo)體界面結(jié)合弱，導(dǎo)致助催化劑脫落與催化活性衰減，從而限制了光電極的長(zhǎng)期耐久性。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一種可大規(guī)模生產(chǎn)的新型一維/三維異質(zhì)異構(gòu)的光電極結(jié)構(gòu)，由一維氮化鎵納米線陣列和三維硅太陽(yáng)能電池襯底構(gòu)成，并首次通過(guò)一維氮化鎵極性晶面重構(gòu)策略，通過(guò)簡(jiǎn)單的堿性刻蝕策略暴露出氮化鎵內(nèi)部的（10-1-1）晶面，加載金納米顆粒作為助催化劑以此構(gòu)筑新型的助催化劑/半導(dǎo)體界面，在原子尺度上實(shí)現(xiàn)氮化物半導(dǎo)體與助催化劑的電子耦合。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)印證了這一突破性設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)：器件在一個(gè)太陽(yáng)光的照射下獲得10.36%的半電池太陽(yáng)能制氫效率，而且在高電流密度下穩(wěn)定產(chǎn)氫超過(guò)800小時(shí)，首次將光電極使用壽命從“小時(shí)級(jí)”推進(jìn)至“月級(jí)”。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(qiáng)耦合作用，不僅優(yōu)化了金納米顆粒的電子結(jié)構(gòu)，提高了氫吸附自由能，進(jìn)而增強(qiáng)了析氫反應(yīng)的催化活性，同時(shí)還提高了氮化鎵納米線表面對(duì)金納米顆粒的錨定能力，防止了反應(yīng)過(guò)程中金納米顆粒的脫落，避免催化活性衰減。

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