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发布日期：2024-07-06 作者：开博
北京时候4月24日，国际顶级学术期刊《天然》在线颁发南开年夜学电子信息与光学工程学院传授罗景山课题组与英国剑桥年夜学、瑞士洛桑联邦理工学院团队在光电催化水份解制氢范畴获得的结合研究进展。
研究团队基在溶液电化学外延发展手艺制备了三种分歧取向的单晶氧化亚铜（Cu2O）薄膜，连系飞秒瞬态反射光谱量化阐发了Cu2O各向异性光电特征，并基在阐发结论开辟制备了以[111]为首要晶体取向的多晶Cu2O光电极，实现了光电催化制氢机能的冲破。
氢能具有零碳、绿色、能量密度高档长处，对实现碳达峰碳中和方针具有主要意义。本年，氢能财产初次作为前沿新兴财产被写入《当局工作陈述》，是成长新质出产力的主要标的目的之一。
氢能财产周全突起的要害在在下降绿氢制备本钱。光电催化水份解手艺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手艺。Cu2O作为自然p型半导体，具有原材料贮备丰硕、制备方式简洁、较窄的带隙和适合的能级位置等长处，是高效便宜光电催化制氢电极的“明星”材料。
在提高Cu2O光电催化机能方面，光生载流子分手和传输效力的晋升是要害。今朝学界对Cu2O体相内载流子的复合进程研究较少。
为了揭露分歧晶体取向对Cu2O体相内载流子复合的影响机制，南开年夜学罗景山传授团队结合英国剑桥年夜学和瑞士洛桑联邦理工学院的研究团队，采取溶液电化学Cu2O薄膜外延发展手艺，成功制备出[111]、[110]和[100]晶体取向的单晶Cu2O光电极。
随后，团队阐发了分歧晶体取向Cu2O光电极的光电特征，成果显示单晶Cu2O沿[111]晶向的载流子迁徙率、电导率和载流子分散长度都相对更优，揭示出相对更年夜光电流密度。
图a 电化学外延发展装配；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)，反射以圆圈凸起显示；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 摹拟太阳AM1.5 G光照下传统多晶Cu2O和[111]取向加强多晶Cu2O光电阴极[poly-Cu2O (111)]的电流密度-电压响应曲线；h poly-Cu2O (111)工夫极在0.5 V (vs. RHE) 下不变性测试和产氢法拉第效力。
基在阐发成果，团队成功制备出具有高纯度[111]晶体取向的多晶Cu2O光电极，揭示了[111]标的目的电子特征的优势，终究将Cu2O光电极0.5 V (vs. RHE) 时的光电流密度晋升至7 mA cm-2（相对之前电沉积光电极提高70%）。
另开博体育外，团队还探讨了分歧晶向和响应表露截止面临Cu2O光电极不变性的影响，揭露了[111]晶向和(111)晶面截止表露面付与了Cu2O工夫极加倍优良的不变性。
据介绍，该功效立异性地开辟了溶液电化学外延发展制备单晶Cu2O薄膜手艺，量化阐发了分歧晶面取向Cu2O薄膜的光电特征，揭露了分歧晶向光电特征对体相载流子复合的影响行动。
基在此发现，团队经由过程进一步加强多晶Cu2O光电极的[111]晶向，刷新了平板Cu2O工夫极光电催化机能。这些发现为氧化物在光伏、晶体管、探测器和太阳燃料等范畴的改性晋升供给了一种普遍合用的策略。
相干论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07273-8
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