近日，我校物理与电子科学学院吕兵教授团队在能源技术领域一区TOP期刊《Renewable Energy》发表题为“In₂S₃/Cu₂O Type-II Heterojunction Bonded by Interfacial S-O Bond for Enhanced Charge Separation and Transport in Photoelectrochemical Water Splitting”的学术论文。《Renewable Energy》是Elsevier旗下能源技术领域的知名国际学术期刊，在国际上拥有广泛的影响力，2024年影响因子IF=9.0。

氢能是一种绿色、可再生的清洁能源,因其能量密度大，燃烧产物无污染，被认为是替代传统化石燃料的理想清洁燃料。最近，光电化学(PEC)分解水技术引起了国内外科研人员的高度关注，因该技术能以环境可持续的方式高效经济地利用太阳能直接将水分解成氢气和氧气,有望成为未来解决能源短缺问题的有效途径之一。然而，目前PEC分解水制氢技术面临的主要瓶颈是半导体光阳极的太阳能利用率和转化效率低。因此，通过合理设计和构筑，提高半导体光阳极的太阳能利用率和转化效率，实现半导体光阳极通过PEC分解水将低密度太阳能高效转化为高密度氢能具有重要的科学和实际意义。

针对单一In₂S₃光阳极光生载流子复合率高这一科学问题，本研究基于能带工程和化学键的设计思路，通过在In₂S₃纳米结构表面耦合生长Cu₂O纳米粒子，精准构建了In₂S₃和Cu₂O界面间具有type-II型直接载流子传输通道和强的S-O化学键的In₂S₃/Cu₂O异质结光阳极。In₂S₃和Cu₂O界面间的Type-II型直接载流子传输通道和S-O化学键协同作用促使In₂S₃/Cu₂O异质结纳米结构中的光生载流子有效转移和分离，从而显著提高了光解水产氢性能，In₂S₃/Cu₂O异质结光阳极的产氢率达到33.5μmol• cm^-2•h^-1,而In₂S₃光阳极几乎没有产氢能力。

In₂S₃与Cu₂O的(a, b) UPS谱；In₂S₃/Cu₂O-3, In₂S₃和Cu₂O的(c)傅里叶红外扫描光谱和(d)拉曼散射光谱

通过界面工程构筑的S-O键，不仅显著增强了异质结的结构稳定性，还为电荷传输提供了高效通道，从而大幅提升了光催化活性。此外，界面化学键的形成有效延长了载流子寿命，进一步优化了In₂S₃/Cu₂O异质结的光电化学性能，使其产氢效率得到显著提升。

In₂S₃, unIn₂S₃/Cu₂O-2, unInIn₂S₃/Cu₂O-3, unInIn₂S₃/Cu₂O-4, In₂S₃/Cu₂O-2, In₂S₃/Cu₂O-3, In₂S₃/Cu₂O-4的(a, b) I-t曲线和(c, d) LSV曲线

In₂S₃/Cu₂O-3, unIn₂S₃/Cu₂O-3和In₂S₃的(a)2 h总氢气产量图和(b) H₂产率图

该论文第一作者是我校2022级物理学专业本科生王梓航，指导教师为贵州师范大学吕兵教授和中央民族大学王文忠教授。本研究揭示了界面工程在优化异质结性能中的关键作用，为开发高效光电化学分解水的材料提供了新的设计思路和实验依据。该工作由国家自然科学基金(No.61575225, 12004447)，贵州省自然科学研究项目(62275278)资助。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.renene.2024.122316