第一作者：Hui Zeng
通讯作者：Jianwu Sun
论文DOI：10.1021/jacs.5c04005
本文提出了一种创新的双界面工程策略，通过设计Ni(OH)2/Co3O4/3C-SiC光阳极，大幅提升了光电化学（PEC）水分解效率。优化后的光阳极在1.23 V（相对于可逆氢电极）下达到了1.68 mA/cm2的光电流密度，比原始的3C-SiC光阳极提高了8倍。为了进一步探究性能提升的机制，本文采用μ-PCD（微波光电导衰减）技术，深入分析了少子寿命（minority carrier lifetime）的延长，揭示了双界面工程在增强电荷分离、抑制载流子复合方面的关键作用。此外，结合X射线光电子能谱（XPS）和X射线吸收光谱（XAS）技术，本文系统研究了界面电子结构的调控与优化，并详细探讨了这一变化如何推动PEC性能的显著提升。
光电化学水分解是一种将太阳能转化为绿色氢气燃料的可持续方法。作为第三代半导体材料，3C-SiC具有理想的带隙（2.36 eV），在太阳能水分解中具有巨大的潜力。与传统的半导体光阳极材料相比，3C-SiC具有合适的带隙、高的化学稳定性和更优异的电子和空穴迁移能力，是光电催化应用中非常有前景的材料。然而，其实际应用仍受到一些问题的制约，如体内和界面电荷复合、较慢的水氧化动力学及表面氧化等问题。为了提升其在光电化学水分解中的性能，本文采用了双界面工程策略，通过在3C-SiC表面引入Co3O4空穴提取层和Ni(OH)2助催化剂层，有效地增强了光生载流子的分离和转移，从而提高了光电化学效率。
1. 本文通过利用第三代半导体3C-SiC优异的材料性能，结合Ni(OH)2/Co3O4双界面工程，显著提高了光电化学水分解的效率，获得了1.68 mA/cm2的光电流密度，较原始3C-SiC提升了8倍。同时显著提高了光阳极的稳定性，确保了长期的光电催化性能。
2. 通过XPS、XANES等表征技术，证实了双界面工程能有效调控电子结构，增强电荷转移效率，减少复合，从而提高PEC性能。
3. 本研究还采用μ-PCD技术探究了少子寿命的变化，发现通过双界面工程，少子寿命得到了显著延长，证明了电子结构调控在减少电荷复合和提高光电催化性能中的重要作用。
图1：3C-SiC及其复合物的表面结构。
图1展示了3C-SiC和Ni(OH)2/Co3O4/3C-SiC光阳极的表面形貌和微观结构。SEM和TEM图像显示了3C-SiC的光滑表面和Co3O4纳米颗粒的均匀分布。HRTEM图像进一步验证了Co3O4的晶体结构。Ni(OH)2成功沉积在Co3O4/3C-SiC的表面，形成了良好的界面结构。通过上述表征，证明了Ni(OH)2和Co3O4在3C-SiC上的成功沉积，并为后续的光电催化反应提供了充分的催化界面。
图2：材料成分及界面特征。
Raman光谱确认了Co3O4/3C-SiC和Ni(OH)2/Co3O4/3C-SiC的物相特征，XPS谱图揭示了Ni(OH)2和Co3O4之间的电子耦合，特别是Ni-O-Co键的形成，表明双界面工程有效增强了电荷转移。同时，通过sXAS分析Co和Ni的L边谱图，揭示了自旋和轨道的混合效应，进一步验证了Ni(OH)2/Co3O4/3C-SiC界面上强耦合的电子结构特性。
图3：电子结构解析。
图3通过Co和Ni的K边XANES和EXAFS分析探讨了Ni(OH)2/Co3O4/3C-SiC中的电子环境及配位结构。XANES谱图显示Ni(OH)2的沉积导致Co的电子离域化增强，而EXAFS结果表明Ni(OH)2与Co3O4之间的Ni-O-Co键在改变Co的氧化态的同时，也对电荷转移起到了促进作用。这些结果表明，双界面工程通过调控电子结构，促进了界面电荷的有效分离和传输。
图4：PEC性能评估。
PEC测试表明，Ni(OH)2/Co3O4/3C-SiC光阳极的光电流密度在1.23 VRHE时达到1.68 mA/cm2，比原始3C-SiC提高了8倍。ABPE和IPCE测试进一步表明，Ni(OH)2/Co3O4/3C-SiC光阳极的太阳能转化效率和光电流转换效率显著高于3C-SiC和Co3O4/3C-SiC，表现出卓越的光电催化性能和稳定性。
图5：载流子动态和μ-PCD测量。
图5展示了通过C-AFM和μ-PCD技术分析的电荷载流子分离特性。C-AFM图显示了光阳极的均匀导电性，并表明形成了典型的P-N结结构，这表明光阳极界面具有优异的载流子分离性能。而μ-PCD测量结果表明，Ni(OH)2/Co3O4/3C-SiC的少子寿命延长至10.32 μs，表明双界面工程显著提高了光生载流子的分离效率，减少了复合，从而增强了PEC性能。
该研究表明，3C-SiC作为第三代半导体材料，在光电催化水分解中具有巨大的应用潜力。通过在3C-SiC上引入双界面工程，不仅提升了光电化学水分解效率，还改善了材料的长期稳定性。未来的研究可进一步优化双界面工程，探索如何进一步增强3C-SiC的光电化学性能，以及将其应用于实际的太阳能-氢能转化系统。
Zeng, H., et al. "Manipulating Electron Structure through Dual-Interface Engineering of 3C-SiC Photoanode for Enhanced Solar Water Splitting," Journal of the American Chemical Society (2025), DOI: 10.1021/jacs.5c04005.
Jianwu Sun (Email: jianwu.sun@liu.se )：瑞典林雪平大学物理、化学与生物学院副教授，研究领域包括半导体光电材料与可再生能源。曾担任半导体材料系主任，现为碳化硅材料研究部门负责人。长期专注于石墨烯和碳化硅单晶材料的生长及其在电子和光电器件中的应用研究。
个人主页：https://liu.se/en/employee/jiasu75
课题组：https://liu.se/en/research/sublimations-material
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