微纳材料设计与制造研究中心

在低碳发展和环境污染治理力度不断加大的背景下，我国能源结构的调整迫在眉睫。在众多可再生能源中，太阳能是唯一能在规模上与巨大能源需求相匹配的能源形式。然而，太阳光的昼夜变化和不稳定性给实际的应用带来了很大的挑战。理论上，这个问题可以通过光电化学池（Photoelectrochemical, PEC cell）光解水产氢来解决。高量子效率半导体吸光材料的制备和改性是加速光解水产氢大规模应用的关键。此前，半导体电极和表面助催化剂的复合体系常常面临着入射光和表面光生电压损失的问题。

陈蓉和单斌教授领导的先进材料设计实验室以纳米结构赤铁矿（α-Fe₂O₃）为研究对象，采用低温原子层沉积法（low temperature ALD）在其表面沉积了超薄的非晶态CoO_x，有效改善了氧化铁在水氧化半反应中的起始电位和光电转化效率。材料表征结果表明，低温ALD制备的修饰层的主要成分CoO_x/Co(OH)_x亲水性强，有助于溶液的浸入，利于良好的半导体和电解质界面的形成。在光解水测试条件下，CoO_x/Co(OH)_x还能起到存储光生空穴的作用，同时可以促进氧化铁表面电荷的转移。此外，CoO_x具有OER反应催化活性，能够降低表面反应势垒和半导体-电解质界面载流子转移的电阻，即可提高多电子参与的催化反应的总体动力学。

此项研究由杜纯博士作为第一作者完成，成果发表在期刊《Physical Chemistry Chemical Physics》，DOI: 10.1039/c7cp01588g。

光电流密度和量子转化效率对比图