界面工程化多维SnO2 -CNF核壳结构耦合ZnO球形异质结协同高效光电解水研究

本研究针对SnO2 在光电解水（PEC）中光吸收范围窄、载流子复合率高的难题，通过界面工程构建了SnO2 -CNF（碳纳米纤维）核壳结构耦合ZnO球形异质结的多维光电极。该设计实现了1.39 mA/cm2 的光电流密度和550秒的稳定响应，为高效太阳能制氢提供了新型材料策略。

　　

随着化石能源危机加剧，太阳能驱动光电解水（Photoelectrochemical, PEC）制氢技术成为研究热点。然而，传统半导体材料如SnO₂
面临紫外光吸收局限（~3.6 eV带隙）和光生载流子快速复合的瓶颈。尽管通过掺杂、表面修饰等手段可部分改善性能，但多维异质结体系的协同增效机制仍待深入探索。

沙特阿拉伯国王费萨尔大学与韩国国立研究基金会合作团队在《Journal of Water Process Engineering》发表研究，创新性地将SnO₂
纳米片与导电碳纳米纤维（CNF）构建核壳结构，并耦合ZnO球形颗粒形成多维异质结。通过水热法在氟掺杂氧化锡（FTO）基底上原位生长该复合体系，实现了光吸收范围拓展、界面电荷传输优化和反应位点增加的三重协同效应。

研究采用水热合成法制备SnO₂
-CNF核壳结构，通过扫描电镜（FESEM）确认形貌特征，线性扫描伏安法（LSV）评估光电流密度，并采用间歇光照测试验证稳定性。

形貌分析显示SnO₂
纳米片均匀覆盖FTO基底，CNF网络提供三维导电骨架，ZnO球体（~3.3 eV带隙）有效扩展可见光响应。光电化学测试表明：SnO₂
-CNF@ZnO异质结在1.4 V vs Ag/AgCl电压下获得1.39 mA/cm²
光电流密度，较单一组分提升2-3倍；在550秒间歇光照中保持稳定响应，连续照射5小时性能衰减<10%。机制分析指出CNF作为电子陷阱抑制复合，而SnO₂
/ZnO界面内建电场促进电荷分离。

该研究通过多维异质结界面工程设计，为解决宽禁带半导体材料在PEC领域的应用难题提供了新思路。SnO₂
-CNF核壳结构结合ZnO的策略，不仅显著提升光转换效率，其可扩展的水热合成方法更具产业化潜力。研究成果对开发高效、稳定的太阳能-氢能转换系统具有重要指导意义。