北京時(shí)間2025年2月25日18:00，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》旗艦大子刊Nature Catalysis發(fā)表了我校化學(xué)與醫(yī)藥工程學(xué)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”。我校化學(xué)與醫(yī)藥工程學(xué)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(xué)劉敏教授和德國(guó)慕尼黑大學(xué)Emiliano Cortés教授為論文的通訊作者。《Nature Catalysis》主要刊登化學(xué)、催化等領(lǐng)域創(chuàng)新性極強(qiáng)的研究性文章，是Nature旗下著名的頂級(jí)刊物之一，被Nature Index收錄，最新影響因子為42.8。
光電化學(xué)（PEC）水分解技術(shù)被譽(yù)為“太陽能制氫的終極方案”。與傳統(tǒng)電解水制氫依賴電網(wǎng)電力不同，PEC系統(tǒng)直接利用太陽光驅(qū)動(dòng)水分解反應(yīng)，將間歇性太陽能轉(zhuǎn)化為可儲(chǔ)存的氫能，兼具環(huán)保性、靈活性與資源普適性。然而光生空穴在價(jià)帶中受到原子核的強(qiáng)束縛力，其本征遷移率遠(yuǎn)低于電子，這種空穴-電子遷移率失配導(dǎo)致光生載流子的快速復(fù)合，嚴(yán)重限制了PEC水分解制氫性能。
鑒于此，我校王君博士、廖婉茹博士與中南大學(xué)劉敏教授、德國(guó)慕尼黑大學(xué)Emiliano Cortés教授等合作，開發(fā)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(dǎo)體（WO3、TiO2、Bi2O3）中構(gòu)筑金屬空位，調(diào)節(jié)半導(dǎo)體價(jià)帶譜結(jié)構(gòu)，降低空穴有效質(zhì)量以改善本征空穴遷移率。SCLC與Hall效應(yīng)測(cè)試協(xié)同證明了金屬空位對(duì)空穴遷移率的強(qiáng)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(dá)到4.8 mA cm-2，實(shí)現(xiàn)了120h的高效、穩(wěn)定PEC水分解制氫。
電子－空穴對(duì)的高效分離是光驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)（如水分解、CO?還原、氮還原等）實(shí)現(xiàn)高選擇性與能量效率的關(guān)鍵前提。本研究提出“金屬空位調(diào)控空穴遷移率”策略，通過原子尺度缺陷重塑載流子傳輸動(dòng)力學(xué)，有望為下一代光電器件及高效能源轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)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).
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41929-025-01300-1
（文、圖/王君 一審/葉正芳 二審/胡林 三審/邱國(guó)良）
