研究實現人工光合作用高效穩定制氫

近日，中國科學技術大學教授孫海定、熊宇杰團隊聯合武漢大學劉勝院士團隊，通過創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定產氫超過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，為下一步規模化制氫應用打下基礎。該成果日前發表于《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，因其環保且可持續的特點，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定性是實現高效、可靠氫氣生產的關鍵。然而，許多傳統光電極材料如硅、金屬氧化物等易發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，團隊設計并制備了一種可大規模生產的新型一維/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，在原子尺度上實現氮化物半導體與助催化劑的電子耦合。

實驗數據印證了這一突破性設計的優勢：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定產氫超過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揮重要作用，為全球能源轉型和可持續發展提供強有力的技術支持。