近日，电子科学与技术学院黄文财教授与福州伏智光催化研究中心吕锋仔团队合作，在太阳能光解水制氢领域研究取得最新进展，相关工作以“Varying heterojunction thickness within space charge region for photocatalytic water splitting”为题发表在Cell旗下物质科学子刊Cell Reports Physical Science，Cell Press细胞科学也重点报道了其亮点内容（CRPS：吕锋仔/黄文财团队揭秘一种能高效光全解水的异质结| Cell Press论文速递）。
当前世界能源主要依赖高污染、不可再生的化石能源，而氢能是最理想、最清洁的可再生能源。然而目前氢气制取成本高，制约了它的普及。太阳能光解水制氢是获取廉价氢气的最优途径，其面临的最大挑战是光全解水技术难度大，虽然目前报道的最高光转化效率已超过1%，但离产业化所要求的5%还有很大差距。光解水是一个能量爬坡过程，需要吸收光能，而其中关键是光生电子和空穴的有效分离。直接Z型异质结能够有效分离电子和空穴，科学家们研究证明直接Z型光催化剂能够光全解水。然而，由于形成异质结前两种半导体费米能级差异，导致形成结后在空间电荷区能带弯曲使其氧化还原能力降低，对光催化效率影响很大。该团队注意到二维纳米材料形成异质结后（厚度约几纳米），其氧化还原能力并没有受到明显影响。受此启发，对上述异质结能带结构图进行深入研究后，在国际上首次提出“应用一种厚度不超出空间电荷区的异质结以高效光全解水的策略”，即在空间电荷区内调控异质结厚度以增强其氧化还原能力，从而提高其光催化效率。众所周知，CdS和Ag3PO4可见光照射下分别在还原水制氢和氧化水产氧方面表现突出，然而到目前为止，所报道的Ag3PO4-CdS异质结从未实现光全解水，这主要由于它们形成异质结后氧化还原能力明显下降。本团队利用镀膜工艺方面的优势，在微孔基底上制备了一系列厚度的Ag3PO4-CdS-Pt异质结光催化剂。在可见光照射下，厚度超过空间电荷区的样品不能分解水，而厚度在空间电荷区内的样品能全解水并随着厚度变薄其光转化效率迅速提高，实验中获得的最大光转化效率高达2%，达到国际领先水平。
该团队认为：通过优化晶型及基底微孔等措施，该光催化剂效率将进一步得到提高。此外，本工作所提出的方案将极大地拓展光催化材料选择的灵活性，进而筛选更优的材料和更合适的基底，为制备出更强的光催化剂开辟出一种全新的技术路径。同样重要的是，该方案采用的制备工艺简单、易于量产，制备的光催化剂性能稳定、不存在回收污染等问题，这将有望给太阳氢产业化提供了一个有竞争力的新途径。此外，厚度不超出空间电荷区是二维纳米结构和传统异质结结构之间的有趣区域，该区域内电子行为变化效应还可应用于光催化二氧化碳转化和有机污染物的光催化分解以及其他相关半导体领域，如太阳能电池等。
该论文由福州伏智光催化研究中心吕锋仔团队和厦门大学黄文财教授合作完成，黄文财教授为该论文的共同通讯作者。相关研究成果已经申请四个国内发明专利和一个PCT专利。该研究工作得到了福州伏智光催化研究中心基金和企业横向合作基金项目的资助。
期刊简介：Cell Reports Physical Science是Cell Press出版集团新近推出的高影响力综合期刊，旨在发表物理、化学、能源科学、材料科学以及交叉学科领域中的重大研究进展。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100652
Cell Press: https://mp.weixin.qq.com/s/r1dNy-75IOoG4HcShLevMA
（电子科学与技术学院供稿）
