利用太陽能光電催化分解水制氫是解決目前能源短缺與環(huán)境污染的有效手段之一。然而，目前半導體材料普遍存在較高的光生電子-空穴復合率，導致其光電催化性能較低并嚴重限制了其實際應用。

　　中國科學院蘭州化學物理研究所能源與環(huán)境納米催化材料組與德國愛爾朗根-紐倫堡大學教授Patrik Schmuki開展了深入合作研究。近期，他們在Fe₂O₃納米帶陣列光電催化分解水及其光生電荷分離研究領域取得新進展。

　　研究人員通過熱處理方法在鐵基底上原位生長具有均一結構的Fe₂O₃納米帶陣列，并在其表面選擇性地構筑了超薄FeOOH納米層及Au納米顆粒，從而形成了具有獨特結構和高效光生電荷分離的半導體光陽極材料。其在模擬太陽光照射下(AM 1.5G)表現(xiàn)出了優(yōu)異的光電催化分解水性能及穩(wěn)定性，1.23 VRHE 和1.6 VRHE的光電流密度可達3.2 和6.5 mA cm-2。研究人員進一步對其光生電子-空穴分離機理進行研究，發(fā)現(xiàn)Au納米顆粒表面等離子共振效應形成的熱電子注入超薄FeOOH納米層，而Fe₂O₃納米帶陣列產(chǎn)生的光生空穴同時向FeOOH層快速遷移，并與Au納米顆粒注入的熱電子快速中和，從而形成了具有獨特光生電子-空穴分離作用的空穴消耗層。而Fe₂O₃納米帶陣列分離后光生電子快速轉移至對電極參與水還原反應，同時Au納米顆粒表面富集的熱空穴參與水氧化反應。

　　此設計結構可以有效促進半導體材料的光生電荷快速分離與遷移，并且對構建高效太陽能光電催化分解水體系具有一定的指導意義。相關研究結果發(fā)表在Nano Energy(2017, 35, 171)、ChemSusChem(2017, DOI: 10.1002/cssc.201700522)等期刊。

　　以上研究工作得到了國家自然科學基金委、蘭州化物所“特聘人才計劃”以及OSSO國家重點實驗室項目經(jīng)費支持。

Fe2O3/FeOOH/Au光生電荷分離示意圖與光電催化分解水性能