第一作者：Feng Liang (梁锋)
通讯作者：Feng Liang (梁锋), Roel van de Krol, Fatwa F. Abdi
通讯单位：德国亥姆霍兹柏林能源与材料研究中心，西安交通大学，香港城市大学
目前，已报道的光电化学（Photoelectrochemical, PEC）分解水制氢装置均在常压下运行，但氨合成、醇合成、氢化反应等多数化工合成过程，均需高压氢气作为原料。传统的常压制氢工艺需额外增设分离、加压等环节才能衔接下游化工合成，不仅流程繁琐，还存在高能耗问题。针对这一“压力鸿沟”，德国亥姆霍兹柏林研究中心、西安交通大学和香港城市大学研究人员联合攻关，开展光电化学分解水直接制备高压氢气研究，重点探究运行压力变化对PEC分解水制氢性能的影响机制。
图1. 研究背景和高压光电化学分解水实验装置。图片来源：Nat. Commun.
该研究团队首次实现光电化学（PEC）反应装置从启动阶段即加压制氢。为达成这一目标，研究团队率先设计并搭建高压流动式PEC分解水实验装置，通过系统研究发现，PEC器件结构是加压工况下制氢性能的关键影响因素：在特定结构设计（如基于BiVO4光电极PEC 装置）中，加压可通过抑制气泡生成显著降低性能损耗；而对另一些器件结构（如3J III-V光电极PEC装置），加压的影响则微乎其微。该研究成果为后续PEC反应系统的工程化设计与优化提供了重要指导。
增压对基于BiVO4光电极的PEC装置影响显著
研究团队搭建了基于BiVO4光电极的PEC反应装置。首先在常压（1 bar）下进行实验，结果显示光电流密度随光照强度升高呈现明显饱和趋势—这一现象此前在基于α-Fe2O3光电极的PEC装置中也有过报道（J. Power Source, 2020, 454, 227890）。为探究饱和成因，该团队进一步开展牺牲剂控制实验，证实高光照强度下光电流密度饱和主要源于三方面：（1）载流子的体相复合，（2）气泡附着导致光电极表面活性位点失活，（3）气-固界面处的载流子复合。
图2. 常压下基于BiVO4光电极的PEC反应装置在不同光照强度下的性能表征结果。图片来源：Nat. Commun.
研究团队发现，对PEC反应装置增压可突破高光照强度下的光电流饱和瓶颈：在10倍光照条件下，光电流从1 bar时的3×提高到5 bar时的约7×，且压力进一步升高对光电流增益影响微弱。这一实验结果印证了团队此前通过多物理场数值模拟提出的6-8 bar PEC制氢最佳运行压力范围（Nat. Commun., 2024, 15, 4944）。同时，电极表面气泡原位成像证实，增压对光电流的提升作用源于高压对气泡生成的抑制：高压环境下，BiVO4光电极表面附着的气泡尺寸显著减小、数量减少，气泡附着面积随之降低，进而减少了电极性能损耗。
图3. 不同压力下BiVO4光电极PEC反应装置的性能及气泡原位观测结果。图片来源：Nat. Commun.
增压对基于3J III-V光电极的PEC反应装置影响微弱
研究团队通过调整PEC反应装置结构，探究了运行压力对铂化3J III-V光电极性能的影响：在1~8 bar压力区间内，光电流几乎无变化，尽管不同压力下气泡生成行为存在显著差异。牺牲剂控制实验显示，即使完全抑制气泡生成，光电流仍维持稳定水平，证实压力改变对该类装置性能影响较小。其原因主要包括三点：一是1 nm厚度的Pt镀层因团聚效应形成独立Pt位点，而非连续薄膜；二是3J III-V光电极的光生载流子迁移距离较长，单个Pt位点被气泡覆盖时，载流子可迁移至其他位点反应；三是表面修饰后的3J III-V光电极亲水性强，气泡接触角小，实际覆盖面积低。
图4. 不同压力下基于3J III-V光电极的PEC反应装置在AM1.5G光照下的性能、气泡原位观测结果与机理分析。图片来源：Nat. Commun.
运行压力对两种光电极稳定性影响不显著
研究团队进一步探究了运行压力对两类光电极稳定性的影响，结果表明，在所考察的压力范围内，压力变化未对电极稳定性产生明显作用。需指出的是，稳定性是规模化PEC装置直接制备高压氢气的关键考量指标，相关课题仍需后续深入研究。
图5. BiVO4光电极和3J III-V光电极在不同压力下的稳定性测试结果。图片来源：Nat. Commun.
综上，PEC分解水装置直接制备高压氢气是重要且长期被忽视的工程化方向。本文初步探究了增压对PEC装置性能的影响，为该方向研究奠定了基础，但目前仍存在诸多亟待解答的问题，需后续进一步深入探索。
这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是梁锋博士，通讯作者是Roel van de Krol教授（HZB）、Fatwa F. Abdi教授（City U HK/HZB）和梁锋博士（XJTU/HZB）。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Photoelectrochemical water splitting cells at elevated pressure using BiVO4 and platinized III-V semiconductor photoelectrodes
Feng Liang, Heejung Kong, Diwarka Suresh Babu, Roel van de Krol, Fatwa F. Abdi
Nat. Commun., 2025, 16, 11139, DOI: 10.1038/s41467-025-67294-3
梁锋博士简介
梁锋，西安交通大学机械工程学院副教授。2021年于西安交通大学取得博士学位，2021年至2025年在德国亥姆霍兹柏林研究中心工作，2025年6月起就职于西安交通大学。
研究领域聚焦规模化光-电化学分解水制氢装置工程、气泡动力学及装备热管理。在相关领域发表SCI论文20余篇，包括以第一作者或通讯作者发表的Nat. Commun. (2)、Cell Rep. Phys. Sci.、Int. J. Heat Mass Transf.、Chem. Eng. J.等。获授权发明专利5项。入选西安交通大学“青年拔尖人才计划”。
Fatwa F. Abdi博士简介
Fatwa F. Abdi现任香港城市大学（CityUHK）能源与环境学院副教授。他于2013年获荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）化学工程博士学位（优等），并荣获荷兰皇家科学院（Royal Dutch Society of Sciences and Humanities）颁发的马丁努斯・范・马鲁姆奖（Martinus van Marum Prize）。2023年加入香港城市大学前，曾任德国亥姆霍兹柏林研究中心（Helmholtz-Zentrum Berlin）太阳能燃料研究所团队负责人、副所长。
其研究团队专注于太阳能转化化学品的材料与器件工程研发，核心研究方向包括复杂金属氧化物的基础性质探究、体相及表面改性策略的实施（以攻克材料固有局限性），同时采用多物理场建模与实验验证相结合的方法，精准识别器件工程领域的关键挑战。
Fatwa F. Abdi博士的课题组常年招收博士生、博士后，相关申请要求、研究方向等详细信息，可查看其个人主页了解：
https://www.cityu.edu.hk/see/people/prof-fatwa-f-abdi
