碳量子点介导Z型电荷转移的垂直排列CuBi2O4/CuO光电极增强析氢性能研究

为解决光电解水制氢中可见光利用效率低和电荷传输效率差的问题，研究人员开发了垂直排列的CuBi2O4@CQDs/CuO核壳纳米片阵列Z型异质结光电极。通过碳量子点(CQDs)介导的电荷转移机制，实现了宽带光捕获和界面动力学加速，在0.4 V vs RHE条件下获得-0.95 mA cm?2的光电流密度，较传统材料提升6.3-38倍，为太阳能制氢提供了新型界面工程策略。

　　

这项突破性研究展示了如何通过精妙的纳米结构设计提升太阳能制氢效率。科研团队构建了垂直排列的铜铋氧化物(CuBi₂O₄)/氧化铜(CuO)核壳纳米片阵列，并创新性地引入碳量子点(Carbon Quantum Dots, CQDs)作为电子媒介，成功将电荷转移机制从传统的II型转变为更高效的Z型路径。这种设计保留了强还原电位用于析氢反应(Hydrogen Evolution Reaction, HER)，同时显著提升了空间电荷分离效率。

该光电极展现出卓越的宽光谱捕获能力，这得益于精心设计的能带匹配结构。在标准测试条件(AM 1.5G)下，其中性电解液中0.4 V vs RHE时的光电流密度达到惊人的-0.95 mA cm^?2，较有序CuBi₂O₄阵列和无序薄膜分别提升6.3倍和38倍。更令人振奋的是，CQDs构建的电荷传输通道大幅优化了界面动力学，使得整个异质结系统展现出非凡的电荷转移效率。

这项研究不仅为开发高效Z型光电极提供了新思路，更重要的是揭示了界面工程在太阳能转化系统中的关键作用。通过原子尺度的精确调控，研究人员成功解决了传统光电极材料在可见光利用和电荷管理方面的瓶颈问题，为清洁能源生产开辟了新途径。