1. 文章信息

標題：  Interfacial Metal Nanocluster Conduits Direct Charge Transfer for Record Unassisted Solar Water Splitting  

中文標題：界面金屬納米團簇電荷通道實現創紀錄無輔助太陽能水分解   

DOI：  10.1021/jacs.6c01306  

2. 文章鏈接

  https://doi.org/10.1021/jacs.6c01306  

3. 期刊信息

期刊名： Journal of the American Chemical Society 

ISSN：  0002-7863   

2025年影響因子： 15.7

分區信息： 中科院一區Top；JCR分區（Q1） 

涉及研究方向： 化學研究的各個領域  

4. 作者信息：第一作者是 宋雨柔，焦玉燁，劉新 。通訊作者為 侯軍剛，劉彬   

5. 產品型號：均勻光氙燈光源系統型號：CEL-PE300L-3A

光電催化（PEC）水分解被廣泛視為實現太陽能高效轉化為化學能的重要途徑之一。然而，在實際體系中，多數半導體光電極仍面臨缺陷態密集、載流子遷移能力不足以及表面反應動力學遲緩等瓶頸，致使光生電子與空穴在抵達反應界面之前便大量復合，從而制約了太陽能制氫效率的進一步提升。

圖1. 激光誘導原位生長Bi納米團簇

圖2. 在鉍基半導體上構筑Bi納米團簇的普適性策略

以往研究通常通過構建金屬/半導體界面來促進電荷分離和提取，但在實際器件中，表面態及界面缺陷引發的費米能級釘扎效應會削弱常規肖特基結對金屬功函數變化的響應，使其難以達到理想的界面調控效果。因此，如何實現界面能帶結構的精準調節與電荷的定向傳輸，仍然是PEC領域亟待突破的關鍵問題。針對上述問題，本文提出了一種新的界面工程策略，在助催化劑與半導體之間引入金屬納米團簇作為電荷傳輸通道，借助不同組分間的功函數差異，重塑界面能帶彎曲行為及空間電荷分布。

圖3. 激光誘導原位生長Bi納米團簇機理

本工作通過激光誘導原位生長策略在助催化劑和半導體之間插入金屬納米團簇，構建了原子尺度界面電荷通道。該方法不僅適用于BiVO4，還推廣到29種不同的Bi基氧化物和氧鹵化物半導體，體現出較強的材料普適性。該界面電荷通道的設計能夠誘導更有利的能帶彎曲，使半導體中的光生電子被傳輸向半導體導帶，而光生空穴則更高效地被助催化劑提取，顯著降低電子-空穴復合。

圖4. 界面能帶調控和光電催化水氧化性能

優化后的CoFe/Bi/BiVO4光陽極在1.23 V vs. RHE下的光電流密度達到6.07 mA cm-2；放大到3×3 cm2后，在1.1 V vs. RHE下可輸出26 mA的光電流，并穩定運行超600 h。進一步與Pt/TiO2/Ga2O3/Cu2O/CuO光陰極串聯后，構建的全氧化物串聯PEC器件實現了4.8%的無偏壓太陽能制氫轉換效率，并能穩定運行70 h。

圖5. 無偏壓光電催化水分解制氫器件性能

總結：

本研究通過激光誘導原位生長法，在半導體與助催化劑之間引入Bi金屬納米團簇，實現界面能帶重構、電子定向遷移、空穴高效提取以及表面水氧化反應動力學的增強。面積為3×3 cm2的CoFe/Bi/BiVO4光陽極在AM 1.5G模擬太陽光照下，在1.1 V vs. RHE條件下可輸出26 mA的光電流，并穩定運行超600小時。將其與Pt/TiO2/Ga2O3/Cu2O/CuO光陰極連接后，所構建的全氧化物半導體串聯PEC器件可實現無偏壓分解水，并獲得4.8%的太陽能制氫轉換效率。該研究不僅證明了原子尺度界面結構工程在PEC體系中的關鍵作用，也為面向高效太陽能轉化的界面電荷傳輸提供新策略。