实现高效、平稳的人工光合作用氢制氢

近日，中国科技大学教授孙海定和熊宇杰团队联合武汉大学刘胜院士团队，通过创造性地设计了一种新型硅基氮化邈纳米线光电极结构，实现了高达10.36%的半电池太阳能制氢效率，在高电流强度下产氢稳定800小时以上，首次将光电极的使用寿命从小于100小时的“小时级”推向“月级”，成功突破了传统光电制氢装置在效率和可靠性方面的瓶颈，达到了国际领先水平，为下一步大规模制氢应用奠定了基础。这一成果最近发表。

光电化学水分解是绿色能源领域的一项重要研究内容，它通过阳光和水直接转化为绿色氢气。在光电化学水分解中，光电极的催化活性和长期稳定性是实现氢气快速可靠生产的关键。然而，硅、金属氧化物等许多传统光电极材料容易发生光腐蚀和化学腐蚀，催化剂与半导体界面的结合较弱，导致催化剂脱落和催化活性衰减，从而限制了光电极的长期耐久性。

针对这一挑战，团队设计并准备了一种新型的一维/三维异质异构光电极结构，可以大规模生产。它由一维氮化邈纳米线阵型和三维硅太阳能电池底部组成。第一次，通过简单的偏碱蚀刻策略，通过一维氮化邈极性晶面重构策略，在氮化邈内部(10-1-1)晶面上显示出来，加入金纳米颗粒作为助催化剂，构建新的助催化剂/半导体界面，实现氮化物半导体和助催化剂的原子尺度。

测试数据证实了这种突破性设计的优点:该装置在太阳光的照射下获得了10.36%的半电池太阳能制氢效率，在高电流强度下产氢稳定800小时以上，首次将光电极的使用寿命从“小时级”提升到“月级”。这种显著的性能提高，主要得益于晶面与金纳米颗粒的强耦合作用(10-1-1)，既改善了金纳米颗粒的电子结构，又提高了氢吸附自由能，从而增强了析氢反应的催化活性，同时也提高了对金纳米颗粒的抗衰老性能。

这项研究有效解决了氮化物等传统三五族化合物半导体与助催化剂界面结合较弱的共性问题，为改善三五族化合物半导体/助催化剂界面提供了简单有效的途径。提出的晶面-催化剂界面控制策略显著提高了光电极的催化活性和长期稳定性，可扩展到其他化合物半导体和催化反应系统，为氮化物半导体在人工光合反应中的广泛应用奠定了基础，有望在能源转换领域发挥重要作用，为世界能源转换和可持续发展提供强有力的技术支持。