综述：通过光电化学水分解增强析氢反应：金属氧化物基光阳极材料的最新策略综述

这篇综述系统探讨了金属氧化物基光阳极在光电化学（PEC）水分解中的关键作用，聚焦其通过形貌调控、掺杂工程、异质结构构建、助催化剂负载及表面钝化等策略提升析氢反应（HER）效率的机制。文章分析了Al2 O3 、Fe2 O3 、TiO2 等材料的局限性（如宽带隙、低光吸收）与改性方案，为绿色氢能规模化生产提供了理论框架与技术展望。

　　

光电化学水分解

1968年，科学家首次在TiO₂
电极上实现光电化学（PEC）水分解，开创了太阳能驱动制氢的新纪元。这一过程通过半导体光阳极吸收光子产生电子-空穴对，空穴氧化水分子释放氧气，电子经外电路转移至阴极还原质子生成氢气。PEC技术相比传统电解水具有显著优势：无需外部供电、系统设计简单且零碳排放。然而，其效率受限于光阳极材料的性能瓶颈，如电荷复合率高、光腐蚀等问题。

析氢反应

析氢反应（HER）是PEC系统的核心步骤，涉及两电子转移过程。在酸性介质中，反应遵循Volmer-Tafel或Volmer-Heyrovsky机制；碱性条件下则需克服更高能垒。金属氧化物的催化活性与其d带中心位置密切相关，例如MoS₂
/ZnO异质结通过Te/S边缘位点增强H⁺
吸附能力，使过电位降低至?0.51 V。优化HER动力学需平衡吸附自由能与电荷传输速率，这成为当前研究的关键靶点。

金属氧化物基光阳极

材料选择与挑战
TiO₂
因其化学稳定性和低成本成为研究最广泛的光阳极，但其3.2 eV宽带隙仅能利用5%太阳光谱。Fe₂
O₃
（2.2 eV）和ZnO（3.3 eV）虽拓宽了光吸收范围，却面临载流子扩散长度短（2-4 nm）和导电性差的问题。

改性策略

1. 形貌调控：α-Fe₂
   O₃
   纳米片结构使光电流密度提升3倍，得益于其高比表面积和缩短的电荷传输路径。
2. 掺杂工程：Er掺杂TiO₂
   通过氧空位抑制复合，光电流密度达9.8 mA/cm^?2
   。
3. 异质结构：MoSe₂
   -MoS₂
   /ZnO的S型能带排列使H₂
   产率提升5倍，AQY达58.6%。
4. 助催化剂：NiFePB修饰ZnO/BiVO₄
   将光电流密度从0.4 mA/cm^?2
   提升至1.66 mA/cm^?2
   。

总结与展望

未来研究需突破材料带隙工程与界面电荷动力学的协同优化，开发新型窄带隙金属氧化物（如CuO）和抗腐蚀保护层。规模化应用还需解决光电极稳定性与系统集成问题，推动PEC技术向工业化迈进。