协同形貌调控与肖特基结设计的Cu3(MoO4)2(OH)2/硼复合材料高效光催化太阳能制氢研究

为突破传统光催化剂可见光吸收窄、载流子复合快等瓶颈，研究人员通过水热法构建Cu3(MoO4)2(OH)2/Boron肖特基结复合材料，实现形貌定向调控（棒状结构比表面积提升87%）与电子态重构（带隙缩小至800 nm吸收），最终光解水制氢效率显著提升，为太阳能-氢能转化提供新范式。

　　

在全球碳中和目标推动下，开发可再生能源技术成为解决能源危机与环境问题的关键路径。氢能因其零碳排放特性被视为未来能源体系的核心，而太阳能驱动的水分解制氢技术（Photocatalytic hydrogen evolution, PHE）因其绿色可持续性备受关注。然而，现有光催化剂普遍面临三大技术瓶颈：太阳光吸收范围有限、光生电子-空穴对（electron-hole pairs）复合速率快、表面反应动力学迟缓。这些问题导致太阳能转化效率长期低于5%，严重制约规模化应用。

针对上述挑战，宁夏高等教育研究项目（NYG2024081）支持的研究团队创新性地设计了一种Cu₃(MoO₄)₂(OH)₂/Boron复合光催化剂，通过形貌工程与肖特基结协同调控，显著提升太阳能制氢效率，相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。研究采用水热合成技术，通过调控硼掺杂比例（5:1质量比）实现材料结构定向生长；结合第一性原理计算（First-principles calculations）揭示电子结构变化；利用紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）和电化学阻抗谱（EIS）等表征手段验证性能提升机制。

合成策略与结构演变
研究团队通过水热法将硼元素整合到Cu₃(MoO₄)₂(OH)₂晶格中，发现硼掺杂诱导晶体从无序纳米颗粒聚集体转变为各向异性棒状结构。这种形貌调控使优化后的Cu₃(MoO₄)₂(OH)₂/Boron-5:1复合材料比表面积增加87%，暴露出更多质子还原活性位点。

性能提升机制
表征分析表明，硼的引入产生双重效应：一方面通过sp轨道杂化（sp-orbital hybridization）形成类金属导电框架，加速电子传输；另一方面在界面构建肖特基结（Schottky junction），产生内建电场促进电荷分离。第一性原理计算证实，硼掺杂使材料带隙缩小，光响应范围扩展至800 nm，显著提升可见光捕获能力。

结论与意义
该研究通过硼掺杂与肖特基结的协同设计，实现了Cu₃(MoO₄)₂(OH)₂光催化剂形貌-电子结构的双重优化：棒状形貌抑制颗粒团聚并增加活性位点；界面肖特基效应使电荷分离效率提升；带隙工程扩展光吸收范围。这种"形态调控-界面工程"双轨策略为开发高效太阳能制氢催化剂提供了普适性方案，对推动可再生能源技术产业化具有重要指导价值。