北京時間2025年2月25日18:00，國際頂級期刊Nature Catalysis在線發表了我校化學與醫藥工程學院王君博士的最新研究成果“Metal vacancies in semiconductor oxides enhance hole mobility for efficient photoelectrochemical water splitting”。長沙理工大學化學與醫藥工程學院王君博士為論文的第一作者、廖婉茹博士為共同第一作者，中南大學劉敏教授和德國慕尼黑大學Emiliano Cortés教授為論文的通訊作者。Nature Catalysis主要刊登化學、催化等領域創新性極強的研究性文章，是Nature旗下著名的頂級刊物之一，被Nature Index自然指數收錄，最新影響因子為42.8。
光電化學（PEC）水分解技術被譽為“太陽能制氫的終極方案”。與傳統電解水制氫依賴電網電力不同，PEC系統直接利用太陽光驅動水分解反應，將間歇性太陽能轉化為可儲存的氫能，兼具環保性、靈活性與資源普適性。然而光生空穴在價帶中受到原子核的強束縛力，其本征遷移率遠低于比電子，這種空穴-電子遷移率失配導致光生載流子的快速復合，嚴重限制了PEC水分解制氫性能。
有鑒于此，我校王君博士、廖婉茹博士與中南大學劉敏教授、德國慕尼黑大學Emiliano Cortés教授等合作，開發了一種具有普適性的金屬空位工程策略，通過在過渡金屬氧化物半導體（WO3、TiO2、Bi2O3）中構筑金屬空位，調節半導體價帶譜結構，降低空穴有效質量以改善本征空穴遷移率。SCLC與Hall效應測試協同證明了金屬空位對空穴遷移率的強化作用，Vw-WO3、VTi-TiO2、VBi-Bi2O3的空穴遷移率分別提升4.3、3.5及2.7倍，光生載流子的分離效率＞90%，光電流密度達到4.8 mA cm-2，實現了120 h的高效、穩定PEC水分解制氫。
電子-空穴對的高效分離是光驅動化學反應（如水分解、CO?還原、氮還原等）實現高選擇性與能量效率的關鍵前提。本研究提出“金屬空位調控空穴遷移率”策略，通過原子尺度缺陷重塑載流子傳輸動力學，有望為下一代光電器件及高效能源轉換裝置的設計提供普適性解決方案。
論文信息：Wang, J., Liu, K., Liao, W. et al. Metal vacancies in semiconductor oxides enhance hole mobility for efficient photoelectrochemical water splitting. Nat. Catal. (2025). https://doi.org/10.1038/s41929-025-01300-1
（文 圖/王君 一審/謝樹芳 二審/卿志和 三審/胡林）
