等离子体诱导热电子注入与空间电荷分离协同增强CeO2/Au纳米球光阳极光电化学水分解性能

针对CeO2光阳极光能利用率低、表面水氧化动力学迟缓及载流子复合率高的难题，研究人员通过构建等离子体CeO2/Au纳米球异质结光阳极，实现了光能利用效率、表面反应动力学与空间电荷分离效率的协同提升。实验表明，优化后的光阳极在零偏压下的光电流密度提升13.3倍，应用偏压光子电流效率（ABPE）提高9倍，为等离子体材料增强光电催化制氢提供了新策略。

　　

研究背景与意义

随着化石燃料消耗加剧，能源危机与环境污染问题日益严峻。利用太阳能驱动光电化学（PEC）水分解制氢被视为最具潜力的绿色能源解决方案之一。然而，传统半导体光阳极（如CeO₂）面临三大瓶颈：宽禁带（~3.1 eV）导致仅能吸收紫外光、表面水氧化动力学迟缓、载流子复合率高。尽管CeO₂因其无毒、低成本及能带位置匹配等优势成为研究热点，但其实际应用仍受限于上述缺陷。

研究设计与方法

中国科学院的研究团队提出了一种创新策略：通过将等离子体金纳米颗粒（Au NPs）负载于CeO₂纳米球表面，构建CeO₂/Au异质结光阳极。研究采用水热法合成CeO₂纳米球，并通过水浴法沉积Au NPs。关键技术包括：扫描电子显微镜（SEM）表征形貌、紫外-可见光谱分析光吸收特性、电化学阻抗谱（EIS）评估载流子传输效率，以及光电流密度测试量化PEC性能。

研究结果

形貌与微观结构
SEM显示CeO₂纳米球由粒径约20 nm的初级颗粒组装而成，Au NPs均匀分布在表面（图1b-c）。X射线衍射（XRD）证实了CeO₂的立方萤石结构和Au的晶体特征。

光学与光电化学性能
紫外-可见光谱显示Au NPs的局域表面等离子体共振（LSPR）效应将光吸收范围扩展至可见-近红外区。零偏压下，CeO₂/Au光阳极的光电流密度达纯CeO₂的13.3倍，ABPE值提升9倍（1.73 eV vs. RHE）。EIS表明Au NPs显著降低了电荷转移电阻。

机制解析
实验证实Au NPs通过三途径协同增效：（1）LSPR效应增强光捕获能力；（2）热电子注入CeO₂导带（CB）；（3）肖特基势垒抑制电子回传。此外，Au NPs表面电磁场强化了载流子分离，并加速了表面水氧化反应动力学。

结论与展望

该研究首次实现了等离子体CeO₂/Au纳米球光阳极的PEC性能突破，为同时解决光能利用、反应动力学与载流子分离难题提供了普适性策略。未来可通过调控Au NPs尺寸/分布进一步优化性能，或拓展至其他宽禁带半导体体系。论文发表于《Journal of Alloys and Compounds》，对推动绿色氢能产业化具有重要意义。