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开发高效耐用的光电极对于实现光电化学水分解的大规模应用至关重要。
2025年1月21日，中国科学技术大学孙海定教授在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Enhanced solar hydrogen production via reconfigured semi-polar facet/cocatalyst heterointerfaces in GaN/Si photocathodes》的研究论文，Wei Chen、Danhao Wang为论文共同第一作者，孙海定教授为论文通讯作者。
孙海定，中国科学技术大学微电子学院特任教授、iGaN Laboratory实验室负责人，国家优青。本科和硕士毕业于华中科技大学，师从刘胜院士。2015年博士毕业于美国波士顿大学，师从氮化物半导体分子束外延奠基人Theodore D. Moustakas教授。2015-2016年在墨西哥SolarEver太阳能波士顿分公司任首席科学家，2016-2018年在沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）担任博士后兼Lab Manager，2018年以特任研究员、博导加入中国科学技术大学，2024年晋升为特任教授。
孙海定教授长期致力于宽禁带III族氮化物（GaN等）和III族氧化物（Ga2O3等）化合物半导体材料MOCVD和MBE外延、光电器件（LED, laser, photodetector等）和电力电子功率器件（高电子迁移率晶体管HEMTs）设计与制备研究。同时开展包括低维材料与器件（纳米线，量子点），二维/三维新型半导体异质结的材料生长、载流子输运特性、光电集成器件与系统研究。
近年来，共发表SCI论文130余篇，ESI高被引论文8篇，包括Nature Electronics、Nature Photonics、Nature Catalysis、Advanced Materials、Light: Science and Application、Laser & Photonics Reviews、Reports on Progress in Physics、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Letters、Small、Advanced Optical Materials等国际重要SCI论文和IEDM等国际电子器件顶会论文。获国内外专利授权20余项，部分技术与工业界合作已经产业化。
在本文中，作者报道了一种独特的光电极，它由重新配置的硅片上氮化镓纳米线组成，并负载有金纳米粒子作为助催化剂。
该电极在AM 1.5G太阳照明下实现了高达10.36%的施加偏压光子电流效率，同时在高电流密度下稳定地进行PEC析氢超过800小时。
具体而言，通过简单的碱蚀刻步骤调整GaN纳米线以暴露内部（101̄1）面，作者实现了具有强电子相互作用的高度耦合的半导体纳米线-助催化剂异质界面。
强耦合重构的GaN纳米线/Au异质界面不仅优化了Au纳米粒子的电子结构，形成丰富的高活性界面区域，最终实现优异的析氢活性，而且使GaN纳米线能够为Au纳米粒子提供更强的锚定效应，防止在剧烈的析氢过程中脱离Au纳米粒子。
作者所提出的光电极为克服PEC装置生产清洁氢燃料的效率和可靠性瓶颈提供了一种可行的结构。
图1：形貌和结构表征
图2：GaN晶面性能对比
图3：构建强耦合助催化剂/GaN异质界面
图4：光电化学水分解性能
图5：PEC性能增强机制分析
综上，作者报道了一种基于氮化镓（GaN）纳米线/硅片的光电极结构，通过碱性蚀刻暴露GaN的（101̄1）晶面，并负载金纳米颗粒作为助催化剂，用于光电化学水分解制氢。
该光电极在AM 1.5G太阳光照射下实现了10.36%的施加偏压光电转换效率，并在高电流密度下稳定运行超过800小时。研究表明，暴露的（101̄1）晶面与金纳米颗粒形成了强耦合的异质界面，优化了助催化剂的电子结构，增强了析氢活性，并显著提高了光电极的稳定性和效率。
这种高效且稳定的光电极结构为解决光电化学制氢装置中的效率与可靠性瓶颈提供了新思路，有望推动大规模太阳能驱动的清洁氢能源生产，并为其他人工光合作用反应（如CO2还原、N2还原等）提供可行的平台。
Chen, W., Wang, D., Wang, W. et al. Enhanced solar hydrogen production via reconfigured semi-polar facet/cocatalyst heterointerfaces in GaN/Si photocathodes. Nat. Commun., (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-024-55743-4.
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