老樹開新花，氧化亞銅上正刊

一、【科學背景】

能源可分為再生能源和非再生能源兩大類別。再生能源包括太陽能、水能、風能等，它們在自然界中具有循環再生的特性。作為一種取之不盡用之不竭的資源，再生能源無需人工干預即可自動再生，與會枯竭的非再生能源形成鮮明對比。然而，如何高效地利用這些可再生能源是當前面臨的重大挑戰。

光電催化水分解是一項極具潛力的可再生能源技術，能夠直接將太陽能轉化為氫能。在光電催化水分解體系中，Cu₂O是一種高效廉價光電催化制氫電極材料，具有原材料儲備豐富、制備方法簡便、帶隙較窄以及合適的能級位置等優點。其中合成高質量氧化亞銅薄膜是降低載流子復合，提升光電催化效率的關鍵，但仍然缺乏有效手段。

二、【科學貢獻】

南開大學羅景山教授團隊與英國劍橋大學Samuel D. Stranks教授團隊以及瑞士洛桑聯邦理工學院Michael Gr?tzel教授和Anders Hagfeldt教授團隊合作，采用溶液電化學Cu₂O薄膜外延生長技術成功制備出高質量的[111]、[110]和[100]晶向的單晶Cu₂O光電極，并揭示了不同晶向對Cu₂O體相內載流子復合的影響機制。作者發現單晶Cu₂O沿[111]晶向具有更優的載流子遷移率、電導率和載流子擴散長度，并展現出相對更大的光電流密度。結果顯示，在0.5V時沿[111]晶向和(111)晶面的Cu₂O光電極的光電流密度達到7 mA cm^-2,提高了70%。此外，作者還探究了不同晶向對Cu₂O光電極穩定性的影響，他們發現Cu₂O光電極沿[111]晶向和(111)晶面在空氣質量 1.5 G 的照明下使用可逆氫電極可以穩定運行120 小時以上。

圖1 SC-Cu₂O薄膜表現出各向異性PEC性能和遷移率

圖2 具有不同晶向的SC-Cu₂O薄膜的瞬態反射光譜

圖3 具有主要取向的多晶Cu₂O光電陰極

三、【創新點】

作者利用溶液電化學外延生長技術，提出了一種新的方法來制備三種不同晶向的高質量單晶Cu₂O薄膜。并結合超快瞬態反射光譜量化分析了Cu₂O各向異性光電特性，成功制備了以[111]為主要晶向的多晶Cu₂O光電極，超越了目前最先進的Cu₂O 光電催化性能，實現了在光電催化制氫的效率突破。

四、【科學啟迪】

該研究創新地開發了溶液電化學外延生長制備單晶Cu₂O薄膜技術，并對不同晶面取向的Cu₂O薄膜的光電特性進行了量化分析，揭示了不同晶向光電特性對Cu₂O體相載流子復合行為的影響，發現以[111]為主要晶向的多晶Cu₂O光電極可以顯著提升光電催化性能，這些發現可以使未來在高性能Cu₂O器件設計方面，使得器件的性能達到更高的水平。

文章詳情：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07273-8