极简设计且不含纳米颗粒的硒基光阴极，实现了创纪录的太阳能驱动氢气生成性能

《EES Catalysis》：Minimalist and nanoparticle-free selenium-based photocathodes for record performance solar-driven hydrogen evolution

高效可持续的硒基光电阴极设计，通过Mo/Se结构在硫酸电解液中实现2.78%的半电池太阳能-氢能转换效率及11.35 mA/cm2光电流密度，超越前Se基标杆7倍。引入10 nm TiO?钝化层后，在更安全的磷酸盐缓冲液（中性）中仍保持2.76%效率，并获得0.74 V（RHE）的最高onset电位。研究证实简单、低毒材料体系（如Mo/Se）结合表面钝化技术可实现高性能，推动绿色氢能规模化应用。

　　本研究聚焦于一种基于硒（Se）的光电化学（PEC）光阳极的设计与优化，成功实现了迄今为止最高的PEC性能。该设计采用了一种简单、可持续且不含纳米颗粒的策略，显著提升了太阳能驱动水分解制氢的效率。通过实验测试，研究团队在硫酸（H?SO?）电解液中获得了半电池太阳能到氢气（HC-STH）效率达2.78%±0.01%，并且在0 V_RHE条件下实现了11.35 mA cm?2的光电流密度，这一结果远超之前基于Se的光阳极（FTO/Se/TiO?/Pt）的性能记录，提升了七倍以上。此外，研究还通过引入薄层二氧化钛（TiO?）钝化层，使光阳极在中性磷酸盐缓冲液（PB）电解液中仍能保持相近的性能，达到2.76%±0.01%的HC-STH效率，同时实现了当前报道中最高的起始电位（V_on）为0.74 V_RHE。这不仅显著提升了环境友好性与安全性，还为实现高效、可持续的绿色氢能生产提供了新的可能性。

与传统的PEC系统相比，许多研究依赖于复杂的多层结构和昂贵的贵金属催化剂，这不仅增加了制造成本，还可能影响其大规模应用和环境兼容性。而本研究中的光阳极设计采用了全地壳元素材料，并结合了可扩展的真空沉积技术，为构建低成本、低毒性的高效PEC系统提供了新的思路。通过系统地优化关键参数，如Se的结晶形态、薄膜厚度、背接触材料以及钝化层厚度，研究团队发现钼（Mo）作为背接触材料在提升Se取向、电荷提取效率和光电压生成方面起到了关键作用。这种优化策略不仅简化了设备结构，还显著提升了整体性能，为未来PEC技术的进一步发展奠定了基础。

研究团队通过实验分析，深入探讨了Se的结晶特性及其对光电化学性能的影响。他们发现，当Se被沉积在Mo基底上时，其晶体结构表现出更高的取向性，尤其是晶格平面的垂直排列，这种特性有助于减少晶界复合，提高电荷传输效率。同时，Mo的高导电性和合适的能带对齐也促进了Se的光电响应。此外，研究还表明，Se的薄膜厚度对性能具有重要影响，其中1000 nm的Se薄膜在平衡光吸收与电荷提取方面表现最优。这一厚度不仅增强了光子吸收能力，还降低了电荷传输的电阻，从而提高了整体效率。

在测试中，研究团队采用了一种基于模拟太阳光的实验平台，以确保测试条件与实际应用场景的一致性。通过线性扫描伏安法（LSV）和斩波光测试，他们能够准确评估不同材料和结构对光电化学性能的影响。同时，为了验证电荷传输机制，研究团队还使用了光电化学阻抗谱（PEIS）技术，结合等效电路模型对数据进行了分析，进一步揭示了TiO?钝化层在降低界面电荷转移电阻方面的重要作用。这一发现为开发适用于中性电解液的高效光阳极提供了理论支持，并且展示了其在提升设备稳定性方面的潜力。

为了确保实验结果的准确性，研究团队还进行了多方面的表征分析。包括使用X射线衍射（XRD）和拉曼光谱（Raman）技术验证Se的结晶状态和结构特性，以及通过扫描电子显微镜（SEM）观察其表面形貌。这些表征手段不仅帮助研究团队理解材料的物理化学特性，还为优化光阳极设计提供了关键依据。此外，X射线光电子能谱（XPS）分析进一步证明了Se在PEC过程中的化学稳定性，显示其在反应过程中未发生氧化或其他副反应，从而确保了电荷的高效利用。

研究团队还对不同电解液环境下的性能进行了对比分析。在酸性条件下，Se基光阳极表现出更高的反应速率和电荷转移效率，而在中性电解液中，通过引入TiO?钝化层，设备仍能维持较高的性能水平。这种设计不仅减少了对有害电解液的依赖，还提升了设备的环境兼容性，使得其在实际应用中更具优势。同时，研究还表明，TiO?层的厚度对性能具有显著影响，其中10 nm的TiO?层在保持光阳极稳定性的同时，能够有效提升电荷转移效率，从而实现更优的HC-STH效率。

此外，研究团队还对光阳极的长期稳定性进行了评估。通过持续的光电化学测试，他们发现Se基光阳极在酸性电解液中表现出良好的稳定性，且在中性条件下，通过TiO?钝化层的引入，其性能也能够维持在较高水平。这一结果不仅验证了材料的耐久性，还表明其在实际应用中具备较高的可靠性。同时，通过检测电解液中的元素浓度，研究团队进一步确认了光阳极在操作过程中未发生明显的材料溶解或迁移，从而保证了设备的长期运行能力。

在实验过程中，研究团队还对多种不同结构的光阳极进行了比较分析。结果显示，Mo/Se结构在所有测试条件下均优于FTO/Se结构，尤其是在光电压生成、电荷提取效率和晶体取向控制方面。这一发现为未来光阳极材料的选择提供了新的方向，并表明Mo作为背接触材料在提升性能方面具有显著优势。同时，研究团队还发现，Se的结晶形态对其光电化学性能有重要影响，其中三斜晶系（t-Se）因其高载流子迁移率和优良的电荷传输特性，成为研究的重点对象。

综上所述，本研究通过创新的材料设计和优化策略，成功实现了基于Se的光阳极在PEC水分解制氢领域的突破性进展。这一成果不仅在性能上达到了新的高度，还为构建更加环保、经济且可扩展的太阳能制氢系统提供了重要的理论和技术支持。通过引入TiO?钝化层和优化背接触材料，研究团队成功解决了传统Se基光阳极在中性电解液中的性能瓶颈，使得这一材料系统能够更广泛地应用于实际的绿色能源生产场景。未来，这一技术有望推动太阳能制氢技术的进一步发展，并为实现可持续能源体系提供新的可能性。