光电催化（PEC）分解水是利用太阳能制取洁净氢能的理想方式之一。通过模拟自然光合作用，耦合高效稳定的光阳极和光阴极，构建双光电极光电解池，是实现太阳能光电催化自驱动全分解水制氢的重要途径，而高效稳定的低成本HER光阴极的构建是该路线的关键技术之一。
近日，中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家实验室的刘生忠研究员和施晶莹研究员合作，将空穴储存层材料水铁矿（Fh）生长到具有“三明治”结构（p-i-n）的单结非晶硅薄膜（a-Si）表面作为界面层，协同表面助催化剂镍纳米颗粒，构筑了高效的光阴极体系，优化之后的复合光阴极a-Si/Fh/Ni在碱性电解质中可产生高达15.6 mA cm-2的光电流（0 V vs. RHE）以及4.08 %的半池能量转化效率，PEC-HER稳定运行时间长达175分钟。这一性能超过了当前绝大多数a-Si基光阴极甚至包括结合贵金属助催化剂的多结构型，以及铜基化合物、硫族化合物、碲化镉等光阴极。且构成该电极的元素全为地壳丰富元素，潜在的低成本和高的PEC产氢性能使其有望耦合其他光阳极实现高效率自驱动全分解水过程。
Fh界面层在光阴极的主要作用机制是：Fh的空穴储存特性使其有效地滞留了光生空穴，从而抑制了固体/电解质界面上的光生电荷的复合，为光生电子的界面迁移和反应争取了时间；另一方面，Fh界面层的引入构建了a-Si和助催化剂Ni之间电子转移的梯度能级，促进了光生电子从吸光材料a-Si体相到Ni催化剂表面的转移过程。
Fh在之前的报道中被认为是一种典型的空穴储存层材料，能够及时有效地提取氮化钽光阳极中的光生空穴，抑制氮化钽的光腐蚀过程，从而能够进行稳定的水氧化反应及取得接近理论极限的水氧化反应光电流（Jingying Shi, Can Li et al., Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 7295-7299; Energy Environ. Sci., 2016, 9, 1327-1334; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202014871）。然而，尚不清楚这种空穴存储层能否用于构建高效光阴极。
这种利用空穴存储层捕获/滞留光生空穴而导致光生电子寿命延长，进而提高光生电子迁移和反应利用效率，从而提高光电催化HER性能的策略，为高效光阴极的构建提供了一个新的思路。
这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是张豆豆博士，2018年底毕业，于2019年加入澳大利亚国立大学进行博士后研究工作，至今已在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Adv. Sci. Chem. Soc. Rev., Carbon, Electrochim. Acta, ChemSusChem, ACS Appl. Energy Mater.等高水平杂志上发表学术论文15篇，获得授权专利9件，主要研究方向为廉价催化剂耦合光伏半导体材料光电催化分解水制氢，以及光电催化二氧化碳还原。
First Hole‐Storage Enhanced a‐Si Photocathodes for Efficient Hydrogen Production
Doudou Zhang, Minyong Du, Pengpeng Wang, Hui Wang, Wenwen Shi, Yuying Gao, Siva Karuturi, Kylie Catchpole, Jian Zhang, Fengtao Fan, Jingying Shi*, Shengzhong (Frank) Liu*
Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202100078
刘生忠，理学博士，国家特聘教授，博士生导师。1983年毕业于陕西师范大学，获理学学士学位；1986年毕业于兰州大学化学系，获理学硕士学位；1992年在美国西北大学 (Northwestern University) 获博士学位。1992-2011年间，先后在美国Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）、Solarex、BP Solar、United Solar从事研究工作。2012年起回国工作，任陕西师范大学-中国科学院大连化学物理研究所特聘教授，洁净能源国家实验室太阳能部副部长、陕西师范大学新能源高等技术研究院院长，陕西省能源新材料与器件重点实验室主任、陕西师范大学陕西省能源新技术工程实验室主任。
刘生忠教授的研究领域集中在太阳能电池、钙钛矿单晶材料、纳米材料、薄膜材料、光电功能材料、激光表面处理和光伏技术的开发、放大和生产。担任J. of Energy Chemistry 期刊（Elsevier）国际顾问，Advanced Functional Materials 专刊编辑等。基础研究成果曾发表在Science、Nature、JACS、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Angew. Chem. Int. Ed. 等刊物上。参与承担国家重点研发计划，基金委重点项目集成项目，中国科学院先导专项、省部委重大重点项目和企业项目等。发表SCI论文200余篇，获国际和中国授权专利六十余项。
https://www.x-mol.com/university/faculty/31107
施晶莹，女，博士，研究员，博士生导师，洁净能源国家实验室（筹）太阳能部DNL1603组长。1991-1998年就读于福建师范大学，分别于1995年和1998年获授理学学士和硕士学位；2003-2006年就读于浙江大学，获理学博士学位；2006-2008年在中国科学院大连化学物理研究所从事博士后研究工作；2008年起留所工作至今。
施晶莹研究员长期致力于能量转换的催化材料及催化过程研究。当前研究领域主要集中在光电催化和电催化两个方面，主要研究方向有：（1）光电催化分解水；（2）光电催化原位储能；（3）光助燃料电池；（4）光电催化合成双氧水；（5）电催化分解水。已在国际知名期刊Nat. Comm., Angew. Chem., Energy Environ. Sci., ACS Energy letters, Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Small, Adv. Sci.等高水平杂志上发表学术论文60多篇（包含2篇邀请综述论文），申报与授权专利近20件。先后主持多项国家自然科学基金面上项目、中国科学院知识创新工程项目，作为研究骨干参与多项国家科技部重点研发计划，国家自然科学基金委重大项目、重大国际合作项目以及中国科学院先导专项等。
https://www.x-mol.com/university/faculty/88792
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