氢能新突破！南开团队国际合作成果Nature发表

北京时间4月24日晚，国际顶级学术期刊《自然》(Nature)杂志在线发表南开大学电子信息与光学工程学院罗景山教授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。

该研究题为“High carrier mobility along the [111] orientation in Cu2O photoelectrodes”。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，并基于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。今年，氢能产业首次作为前沿新兴产业被写入《政府工作报告》，是发展新质生产力的重要方向之一。

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，南开大学罗景山教授团队联合英国剑桥大学Samuel D. Stranks教授团队、瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel教授和Anders Hagfeldt教授团队，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。

图 a 电化学外延生长装置；b单晶外延层在Si衬底上的x射线衍射图和由EBSD生成的极图(c)，反射以圆圈突出显示；晶体取向为(100) (d)、(110) (e)和(111) (f)的15 nm 单晶Cu2O薄膜的瞬态反射光谱；g 模拟太阳AM1.5 G光照下传统多晶Cu2O和[111]取向增强多晶Cu2O光电阴极[poly-Cu2O (111)]的电流密度-电压响应曲线；h poly-Cu2O (111)光阴极在0.5 V (vs. RHE) 下稳定性测试及产氢法拉第效率。

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（相对之前电沉积光电极提高70%）。

此外，团队还探究了不同晶向及相应暴露截止面对Cu2O光电极稳定性的影响，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。

据介绍，该成果创新性地开发了溶液电化学外延生长制备单晶Cu2O薄膜技术，量化分析了不同晶面取向Cu2O薄膜的光电特性，揭示了不同晶向光电特性对体相载流子复合的影响行为。

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。

这些发现为氧化物在光伏、晶体管、探测器以及太阳燃料等领域的改性提升提供了一种广泛适用的策略。

罗景山教授团队多年来一直聚焦提升Cu2O光电催化制氢性能，曾采用纳米结构策略使Cu2O光阴极饱和光电流密度在国际上首次达到10 mAcm−2(Nano Letters, 2016, 16, 1848–1857)，随后在此基础上采用新型Ga2O3电子传输层，成功将Cu2O光阴极的产氢起始电位提高至1 V (vs. RHE)的记录值(Nature Catalysis, 2018, 1, 412–420)；系统研究了Cu2O光电极的降解机制(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 46, 55080–55091)；最近，基于双界面层策略进一步将Cu2O光电极光电压提升至1.07 V (Nature Communications, 2023, 14, 7228)。

南开大学为该项工作的通讯单位之一，电子信息与光学工程学院罗景山教授为该论文的共同通讯作者。