將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)燃料提供了一種存儲(chǔ)可再生能源的方法。然而，光電化學(xué)（PEC）制氫的實(shí)際應(yīng)用依然受阻于其低的能量轉(zhuǎn)換效率。目前，越來(lái)越多的半導(dǎo)體可以作為光陽(yáng)極材料。但是，這些半導(dǎo)體一般具有寬的帶隙，這將他們的光譜吸收范圍限制在紫外光區(qū)（UV，<400 nm）和可見(jiàn)光區(qū)（可見(jiàn)，400-700 nm）?？紤]到紅外光（IR，>700 nm）占了太陽(yáng)光能量的50%左右，將材料的光譜吸收范圍擴(kuò)展至紅外區(qū)有助于器件的效率逼近Shockley-Queisser效率。

       窄帶隙半導(dǎo)體具備近紅外光譜吸收能力，其中具備大的吸收截面積和長(zhǎng)載流子壽命的窄帶隙半導(dǎo)體擁有成為近紅外活性光電極的潛力。然而，窄帶隙半導(dǎo)體中的電子-聲子相互作用會(huì)導(dǎo)致光生載流子的壽命變短，這會(huì)導(dǎo)致催化劑表面的光生空穴濃度降低，進(jìn)而降低了表面氧化反應(yīng)發(fā)生的概率。至今，近紅外光活性光陽(yáng)極的光電轉(zhuǎn)換效率（IPCE）始終難以提高。

       近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏院士團(tuán)隊(duì)基于窄帶隙半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)了一種具有近紅外活性的晶格匹配的形貌異質(zhì)結(jié)光陽(yáng)極材料，所研制的異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出優(yōu)異的光電化學(xué)（PEC）制氫性能。相關(guān)成果以“Boosting photoelectrochemical efficiency by near-infrared-active lattice-matched morphological heterojunctions”為題于7月14日發(fā)表在《自然?通訊》上（Nature Communications2021, 12,4296）。

       研究人員設(shè)計(jì)了一種具有晶格匹配的形貌異質(zhì)結(jié)的BiSeTe三元合金基光陽(yáng)極（圖1），該電極的光譜吸收范圍擴(kuò)展到了1100 nm，其光電化學(xué)制氫的能量轉(zhuǎn)換效率得以改善。晶格匹配的形貌異質(zhì)結(jié)由于避免了晶格失配的影響而降低了界面缺陷的存在，有利于降低光生載流子的復(fù)合速率，這為提高光電極的能量轉(zhuǎn)換效率提供了方向。實(shí)驗(yàn)證明，異質(zhì)結(jié)的存在提高了光生載流子的分離效率，進(jìn)而延長(zhǎng)了載流子的壽命。因此，在近紅外光下，BST-MHs光陽(yáng)極的IPCE（在800 nm下為36％）和光電流密度（在0.75 VRHE下為3.7 mA cm-2）均展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能（圖2）。

圖1.BST-MHs的形貌與組分表征。（a）BST-MHs的TEM圖像。（b）BST-MHs的AFM圖像。（c）BST-MHs的暗場(chǎng)STEM圖像和EDS元素面分布圖像，選取的為Bi-M（藍(lán)色），Se-K（紅色）和Te-L（黃色）信號(hào)。（d）BST-MHs的切片示意圖。（e, f）界面處的TEM圖像和HRTEM圖像。（g, h, i）圖c中綠框內(nèi)納米管的HRTEM圖像、FFT圖像和反轉(zhuǎn)FFT圖像。（j, k, l）圖c中藍(lán)框內(nèi)納米片的HRTEM圖像、FFT圖像和反轉(zhuǎn)FFT圖像。（m, n, o）圖c中黃框內(nèi)界面的HRTEM圖像、FFT圖像和反轉(zhuǎn)FFT圖像。

圖2.光陽(yáng)極的PEC性能。（a, b）BST-MHs、BST-NTs、BST-NSs和BST-NTs + BST-NSs光陽(yáng)極的電流-電壓曲線（a）和IPCE（b）。（c）不同光陽(yáng)極的電化學(xué)阻抗譜。（d,e）BST-MHs、BST-NTs、BST-NSs和BST-NTs + NSs光陽(yáng)極在NIR光下的瞬態(tài)電流-時(shí)間曲線（d）和瞬態(tài)電流分析曲線（e），測(cè)試電壓為0.60 VRHE。（f）BST/CoSeTe-2%光陽(yáng)極的穩(wěn)定性測(cè)試。

       這項(xiàng)研究提出了一種具有近紅外活性的形貌異質(zhì)結(jié)的構(gòu)筑策略。由納米管和納米片構(gòu)成的晶格匹配的形貌異質(zhì)結(jié)對(duì)近紅外光的表現(xiàn)出極高的吸收能力并且擁有出色的載流子分離能力。通過(guò)將窄帶隙半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)整合到晶格匹配的形貌異質(zhì)結(jié)中，這項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)有效的近紅外活性的光電化學(xué)器件提供了新的可能性。

       該項(xiàng)研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、合肥大科學(xué)中心卓越用戶(hù)基金等資助。

附論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24569-9

                   （合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)研究中心、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部）