阳光照射光电极制氢…UNIST开发光电极保护层

Published 10 Nov.2024 12:11(KST)

Updated 02 Aug.2025 16:06(KST)

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UNIST与瑞士苏黎世大学团队开发金属氧化物光电极保护材料

仅选择性传输空穴提升效率并抑制腐蚀… 发表于《Nature Communications》

太阳能绿色氢气生产技术的商业化已近在眼前。

这得益于一种能够长期保护光电极、使其性能持久保持的材料被开发出来。

UNIST（校长 Park Jongrae）能源化学工程系 Ryu Jungki 教授与瑞士苏黎世大学（UZH） David Tilley 教授研究团队共同开发出一种保护层，大幅提升了用于太阳能制氢的金属氧化物光电极的耐久性。

UNIST教授 Ryu Jeonggi。

瑞士苏黎世大学（UZH）教授 S. David Tilley。

第一作者 Bae Sanghyun 博士。

太阳能制氢是利用浸没在水中的光电极，在阳光照射下生产氢气的技术。阳光照射到光电极表面后，水经过电化学反应被分解为氢气和氧气。

这项技术在水氧化过程中存在光电极被腐蚀的问题，要实现商业化，开发能够有效保护光电极的材料至关重要。尤其是金属氧化物光电极虽然原料廉价，但由于缺乏合适的保护层，相关技术开发进展缓慢。

研究团队在原本用于保护高价半导体光电极的二氧化钛中加入聚乙烯亚胺高分子，开发出适用于金属氧化物光电极的保护层。该保护层具有阻挡由光电极吸光产生的电子（带负电粒子）、并只选择性传递参与水氧化反应的空穴（带正电粒子）的特性，因此既能提升光电极性能，又能防止其腐蚀。

将开发出的保护层应用于铋钒酸盐（BiVO4）光电极后，在实现高电流密度（2.03 mA/cm2）的同时，稳定维持水分解反应超过400小时。相比之下，没有保护层的光电极在5小时内性能就会下降，其稳定性得到显著提升。电流密度是表征光电极效率的指标。

此外，所开发的保护层不仅可用于铋钒酸盐，还可应用于氧化铁（Fe2O3）等多种金属氧化物基光电极。

能源化学工程系教授 Ryu Jungki 表示：“本次研究成果将成为开发低成本、高稳定性太阳能水分解技术的重要突破口”，并称“有望为利用太阳能生产高附加值资源的其他光电化学电池开发作出贡献”。

涂覆混合保护层的光电极（BiVO4/PEI/TiO2）截面的透射电子显微镜图像及元素分析映射图像（白色箭头表示界面处的 PEI）。UNIST 提供

此次研究成果已于11月1日发表在国际学术期刊《Nature Communications》上，UZH化学系 Bae Sanghyun 博士为第一作者，UNIST博士研究生 Kim Minjung 与博士 Choi Yuri 参与了研究。

本研究在瑞士国家科学基金会（SNSF）、韩国研究财团（NRF）等机构的资助下完成。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。