我区半导体光生电荷分离基础研究取得新进展

近日，内蒙古大学化学化工学院王蕾教授、贺进禄研究员及日本产业技术综合研究所Tomohiko Nakajima研究员为共同通讯作者，在国际权威期刊《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）上发表了“光生氧空位延长载流子迁移寿命助力光电催化水裂解”（Photo-driven Oxygen Vacancies Extends Charge Carrier Lifetime for Efficient Solar Water Splitting）最新科研成果。该论文报道了光电协同作用增强半导体载流子迁移寿命。该研究作为解决光电器件中过多缺陷引起的载流子复合提供了一条可行途径，有效促进光电催化分解水制氢性能。

该研究得到国家自然科学基金(51802320, 21965024)，高等学校学科创新引智计划(D20033)，内蒙古杰出青年培育基金(2020JQ01)和内蒙古大学引进人才启动基金(21300-5195102)等项目的支持。

光电催化分解水制氢是绿色制取氢能源的有效手段之一。WO3半导体因其禁带宽度2.7 eV，是很好的可见光催化材料之一。然而半导体光生载流子的复合严重制约了其光电催化制氢效率。

近年来相关研究报道了含氧空位的WO3光电极具有较好的水氧化能力，氧空位的存在能显著改善WO3光电极导电性，能带结构及表面分子吸附等性质。然而，氧空位作为一种缺陷，当存在过量的氧空位时，将会变成载流子复合中心，降低载流子传输寿命，导致半导体/电解质界面的二次复合，严重影响制氢效率。通常采用二次处理方法(H2-O3; H2-O2)填补表面过量氧空位。

科研团队研究发现光电协同作用"充/放电"策略激活WO3光电极，抑制载流子复合，从而显著提高其光电催化性能。光电协同激活下的半导体表面存在8-10 nm无定形层及氧空位，使其可以连续保持25个循环，接近50 h的耐久性。进一步构筑WO3/CuO异质结，光电激活后的半导体在1.23 VRHE电位下获得3.2 mA cm-2光电流响应。科研团队通过密度泛函理论进行非绝热分子动力学模拟理论计算证实光电协同激活策略可以有效延长WO3载流子寿命。这项工作为解决过量氧空位问题提供了一种新策略和新思路，在其它半导体(Fe2O3, TiO2等)中具有普适性。