南開大學團隊國際合作實現制氫領域新突破

《自然》4月24日晚在線發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、瑞士洛桑聯邦理工學院團隊，在光電催化水分解制氫領域取得的聯合研究進展。

團隊基于溶液電化學外延生長技術制備了三種不同取向的單晶氧化亞銅（Cu2O）薄膜，結合飛秒瞬態反射光譜量化分析了Cu2O各向異性光電特性，并根據分析結論開發制備了以[111]為主要晶體取向的多晶Cu2O光電極，實現了光電催化制氫性能的突破。

氫能具有零碳、綠色、能量密度高等優點，對實現碳達峰碳中和目標具有重要意義。氫能產業全面崛起的關鍵在于降低綠氫制備成本。光電催化水分解技術可以將間歇性的太陽能直接轉化為氫能，是一種極具潛力的可再生能源技術。Cu2O作為天然p型半導體，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鍵。目前學界對于Cu2O體相內載流子的復合過程研究較少。

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，南開大學教授羅景山團隊聯合劍橋大學和洛桑聯邦理工學院團隊，采用溶液電化學Cu2O薄膜外延生長技術，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度都相對更優，展現出相對更大光電流密度。

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光陰極更加優異的穩定性。

基于此發現，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，但在應用中Cu2O穩定性較差。目前我們研究的多晶Cu2O光電極比現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域發揮更大的作用。”羅景山介紹。