耶鲁大学胡澍团队：双层ALD涂层提升硅量子点析氢，稳定性逼近100小时

第一作者：马潇晗，李兆涵（共同第一作者）

通讯作者：胡澍

单位：耶鲁大学，明尼苏达大学

量子点光催化剂因量子限域效应可调带隙与带边位置，在太阳能驱动制氢中具有重要潜力。然而，这类体系在实际应用中通常面临“高活性”与“高稳定性”难以兼顾的核心瓶颈：一方面，量子点尺度过小，电荷分离驱动力不足，电子-空穴容易复合；另一方面，材料在水相环境中易发生表面氧化和光腐蚀，导致性能快速衰减。硅量子点作为一种地壳丰度高、低成本且无镉毒性的候选光催化材料，具有良好的可持续性优势，但其原生氧化层以及水中形成的Si-OH表面基团会显著阻碍表面载流子传输。因此，如何通过界面工程同时实现对硅量子点的有效保护、促进局域电荷分离并提升长期运行稳定性，是推动其走向实用化的关键科学问题。

近期，耶鲁大学胡澍团队联合明尼苏达大学Uwe Kortshagen团队，在《Advanced Functional Materials》在线发表题为“Enhanced Photocatalytic Charge Separation in Coating-Protected Porous Silicon Quantum Dot Films with Stability Approaching 100 Hours”的研究论文。该工作以多孔硅量子点薄膜为主体，通过构建2 nm Al2O3中间层和5 nm TiO2外层的双层原子层沉积（ALD）涂层，实现了“稳定保护 + 电荷调控”的协同设计。结果表明，双层涂层样品在光催化析氢中表现出更高活性，HER速率达到0.15 μmol cm-2 h-1，明显优于仅有TiO2涂层的对照样品（0.08 μmol cm-2 h-1）；在400 ± 10 nm光照条件下，体系内部量子效率（IQE）达到14.1%。更重要的是，该策略显著提升了材料在水相反应中的长期稳定性，使其在持续析氢测试中保持至少72小时稳定运行，整体稳定性表现逼近100小时，为硅基量子点光催化体系的设计与应用提供了新思路。

研究团队在多孔硅量子点薄膜表面依次沉积2 nm Al2O3中间层和5 nm TiO2外层，构建了致密且连续的双层保护结构。STEM-EDS结果表明，Al2O3与TiO2能够均匀包覆高密度硅量子点区域，显著抑制原生氧化层进一步生成，并减少水环境中Si-OH表面基团带来的不利影响。相比单一保护层，该设计不仅提升了材料抗光腐蚀能力，也为后续的电荷跨界面传输创造了更有利的条件。

实验结果显示，加入Al2O3中间层后，样品的光致发光响应和析氢表现同步提升。双层涂层样品的HER速率达到0.15 μmol cm-2 h-1，而仅TiO2涂层样品约为0.08 μmol cm-2 h-1；未包覆样品则几乎不表现出稳定析氢活性。进一步地，作者通过优化膜厚与堆叠结构，在400 ± 10 nm波段下获得14.1%的内部量子效率，表明该界面工程策略不仅提高了表面稳定性，更显著增强了体系对已吸收光子的有效利用能力。

基于开路电位（OCP）测试、能带分析及控制实验，作者提出了Si/Al2O3/TiO2/Pt体系中的局域电荷分离机理：TiO2中的Ti3+缺陷位点主要承担空穴传输与累积，而表面Pt纳米颗粒优先捕获电子并催化析氢；Al2O3中间层则通过场效应钝化与隧穿调控，抑制电子-空穴在界面处过度复合。该“动力学非对称”机制解释了双层涂层体系为何能够在纳米尺度上同时实现快速载流子分离与较高反应选择性。

在100 mM FeCl2反应介质中，双层涂层样品能够在长时间连续析氢过程中保持良好活性，72小时后仍维持约0.11 μmol h-1 cm-2的析氢速率，显示出优异的抗化学与抗结构衰减能力。该结果表明，合理控制ALD涂层厚度与界面能带结构，可以让硅量子点从“可以工作”迈向“可以稳定工作更久”。这项工作为发展高效、稳定、可扩展的硅基量子点光催化体系提供了清晰的材料设计原则。

Enhanced Photocatalytic Charge Separation in Coating-Protected Porous Silicon Quantum Dot Films with Stability Approaching 100 Hours

马潇晗与李兆涵为本文共同第一作者，均来自耶鲁大学化学与环境工程系及Energy Sciences Institute。本工作中，两位作者围绕多孔硅量子点薄膜构筑、ALD界面工程、析氢性能测试与机理分析开展了系统研究。

胡澍课题组课题组围绕光催化与太阳能转化中的关键界面科学问题，重点开展涂层保护光催化剂、局域电荷分离机理、反应器尺度耦合传输等方向研究，长期聚焦半导体、涂层、催化剂与液体界面的电荷分离与传输机制，结合材料制备、原位电化学表征与反应工程方法，致力于高效、稳定、低成本光催化与光电化学材料器件的开发，以服务太阳能制氢、碳捕集与转化等可持续能源应用。

欢迎对光催化、界面科学、半导体材料、原位表征与太阳能转化感兴趣的研究人员和学生与团队联系交流。