中国科大突破！硅基氮化镓实现高效稳定人工光合作用制氢

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中国科学技术大学科研团队在光电化学制氢领域取得重大突破，研发出一种新型硅基氮化镓纳米线光电极结构，实现了高达10.36%的半电池太阳能制氢效率，并保持了超过800小时的高电流密度稳定产氢，成功突破了传统光电制氢技术在效率和稳定性上的瓶颈。该成果发表在国际顶级期刊《自然·通讯》上。

光电化学（PEC）水分解技术因其环保可持续的特性，成为清洁能源研究热点。然而，传统光电极材料易受光腐蚀和化学腐蚀，且助催化剂与半导体界面结合力弱，导致催化活性衰减，限制了其长期稳定性。

为解决这一难题，研究团队创新性地设计并制备了一种新型一维/三维异质结构光电极，它由一维氮化镓（GaN）纳米线阵列和三维硅太阳能电池衬底构成。通过GaN极性晶面重构策略，并利用金纳米颗粒作为助催化剂，在原子尺度上实现了氮化物半导体与助催化剂的优异电子耦合。

图1. a)新型光电极结构示意图及GaN纳米线晶面重构工艺；b-e)重构GaN纳米线(10-1-1)晶面/金纳米颗粒界面的显微表征

实验结果显示，该光电极在AM1.5 G光照下实现了10.36%的半电池太阳能制氢效率（HC-STH），并在高电流密度下稳定产氢超过800小时，显著延长了光电极寿命。

图2. 新型GaN/Si光电极的光电化学制氢性能评估

这项研究解决了传统三五族化合物半导体与助催化剂界面结合力弱的难题，为改进三五族化合物半导体/助催化剂界面提供了有效途径。该晶面-催化剂界面调控策略可拓展至其他化合物半导体和催化反应体系，为氮化物半导体在人工光合作用中的应用奠定了基础，有望推动能源转换领域发展，助力全球能源转型和可持续发展。

该研究得到国家自然科学基金等多方支持，孙海定教授为论文通讯作者，陈炜和汪丹浩博士为共同第一作者。多位教授及墨西哥Solarever公司、刘胜院士团队参与了该项目。

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