近日，南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院羅景山教授課題組在光電催化水分解制氫領(lǐng)域取得的最新研究進(jìn)展發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》(Nature Communications)上。團(tuán)隊基于原子層沉積技術(shù)提出雙界面電子傳輸層策略，大幅提升了氧化亞銅（Cu2O）光電催化制氫陰極的起始電位。 3oBtP<yG.  

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氫能是零碳能源，發(fā)展綠色氫能經(jīng)濟(jì)是實現(xiàn)碳中和的重要途徑。光電催化水分解技術(shù)可以將間歇性的太陽能直接轉(zhuǎn)化為氫能，是一種極具潛力的可再生能源技術(shù)。Cu2O作為p型半導(dǎo)體，因其原材料儲備豐富、制備方法簡便、帶隙較窄以及能級合適成為高效廉價光電催化制氫電極的明星材料。 rK@8/?y5  
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羅景山教授多年來一直聚焦于提升Cu2O光電催化制氫性能，曾采用納米結(jié)構(gòu)策略使Cu2O光陰極飽和光電流密度在國際上首次達(dá)10 mA cm-2（Nano Letters, 16, 1848–1857, 2016），隨后在此基礎(chǔ)上采用新型Ga2O3電子傳輸層，成功將Cu2O光陰極的產(chǎn)氫起始電位提高至1 V (vs. RHE)的記錄值（Nature Catalysis, 1, 412–420, 2018）。提升Cu2O光陰極的光電壓有助于提升無偏壓串聯(lián)全解水器件的太陽能制氫轉(zhuǎn)換效率。盡管Cu2O光陰極目前的起始電位可達(dá)1 V (vs. RHE), 但仍低于其理論值1.6 V，還有較大提升空間。 2n,*Nd`  
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在改善Cu2O光陰極起始電位方面，以往研究多著眼于改善p-n結(jié)界面材料能級匹配，忽略了n型界面層之間的能級優(yōu)化匹配。通過文獻(xiàn)調(diào)研及阻抗分析，羅景山教授指導(dǎo)博士生程金水和武琳曉發(fā)現(xiàn)目前最優(yōu)結(jié)構(gòu)之一的Cu2O/Ga2O3/TiO2光陰極，在n型界面層Ga2O3和保護(hù)層TiO2之間存在不利的界面勢壘和電阻，限制了其起始電位和填充因子的提升�；�于此，該團(tuán)隊通過原子層沉積技術(shù)開發(fā)了ZnGeOx新型界面層材料，并將其引入至Ga2O3和TiO2之間構(gòu)建了雙界面層結(jié)構(gòu)，成功將Cu2O光陰極起始電位提升至1.07 V (vs. RHE)的記錄值。 9"@\s$ OBk  
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作者通過對比具有單一Ga2O3界面層和雙界面層(Ga2O3/ZnGeOx)光陰極在不同偏壓下的阻抗值變化趨勢，揭示了光生電荷載流子在不同界面處的遷移傳輸行為。原位阻抗測試結(jié)果顯示，相對于單一界面層結(jié)構(gòu)，雙界面層結(jié)構(gòu)Cu2O光陰極消除了Ga2O3/TiO2界面層之間的不利勢壘和電荷遷移電阻。此外，作者通過能級結(jié)構(gòu)分析揭示了通過ZnGeOx界面層的引入，Ga2O3和TiO2之間形成了梯度能級，從而優(yōu)化了界面層和保護(hù)層之間的能級匹配，減少界面能量損失，最終提升了Cu2O光陰極的光電壓。 XpIklL7  
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綜上，本工作強(qiáng)調(diào)了以往被忽視的n型界面層之間能級匹配的重要性，并提出了雙界面層策略來提升Cu2O光陰極光電壓，為其它具有異質(zhì)結(jié)光電器件性能的提升提供了新思路。 -<c=US  
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南開大學(xué)為該項工作的唯一完成單位及通訊單位，電子信息與光學(xué)工程學(xué)院羅景山教授為該論文的通訊作者，電子信息與光學(xué)工程學(xué)院2020級博士生程金水為該論文的第一作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和天津市杰出青年基金的資助。 4qN{n#{+]  
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