综述：基于SiC的异质结构与串联PEC电池在高效氢生产中的应用

《Results in Engineering》：SiC-Based Heterostructures and Tandem PEC Cells for Efficient Hydrogen Production

本文系统综述了碳化硅（SiC）在光解水（STH）中的应用进展，重点分析了其宽带隙（2.36-3.2 eV）、化学稳定性和高载流子迁移率等特性。通过整合二维材料（如MoS?、TiO?）、异质结设计（如SiC/Janus材料）和计算模拟（DFT结合机器学习），显著提升了STH效率至6.3%并实现超100天稳定性。研究指出，SiC与窄带隙半导体形成的异质结可优化电荷分离，而DFT模拟为材料设计提供了理论指导。尽管效率仍低于10%，但通过表面修饰、掺杂调控和新型制备技术（如稻壳热等离子体法），未来有望突破20%阈值，推动可持续氢能生产。

　　硅碳化物（SiC）作为一种具有宽禁带隙的半导体材料，正在成为光电化学（PEC）水分解技术中实现太阳能到氢气（STH）转换效率超过10%的关键材料。这项研究回顾了近期在新型范德华异质结构设计、基于Janus结构的SiC复合材料以及环保合成方法等方面的进展，以提升效率和可扩展性。此外，还系统地将密度泛函理论（DFT）预测与实验性能指标进行对比，强调了关键的性能差距和优化路径。同时，对电子结构、能带对齐和表面反应进行了全面建模，以优化SiC基配置，包括与二硫化钼（MoS?）和二氧化钛（TiO?）等材料形成的II型异质结。关键的性能指标，如光电流密度和STH效率，均与实验进展进行了评估。尽管在这一领域取得了显著进展，但诸如光电极稳定性、可扩展制造和成本降低等挑战依然存在。研究者们讨论了应对这些问题的策略，包括环保的蚀刻技术以及新型材料组合，并提出了未来的研究方向。该综述指出，基于SiC的串联系统已经实现了高达6.3%的STH效率和超过100天的稳定性，而DFT模型预测其潜力可能超过10%。

光电化学水分解是一种可持续的制氢路径，能够应对全球能源需求和气候变化的挑战。氢气作为一种清洁且多功能的能量载体，可以用于燃料电池、太阳能储存以及交通和工业领域的脱碳。然而，传统的PEC系统在光电极方面存在局限，其STH效率通常低于10%，远未达到商业可行性的20%目标。近期的研究表明，SiC的可调禁带隙（2.36-3.2 eV）使其能够捕获不同波长的太阳光谱，这在PEC应用中是一个关键优势。SiC的化学惰性、机械强度和热稳定性使其适合在恶劣的PEC环境中使用。其高载流子迁移率和异质结构的兼容性有助于提高电荷分离效率，如纳米多孔3C-SiC实现了2.30 mA/cm2的光电流。

通过将SiC与二维材料（如MoS?、磷烯或TiO?）集成的异质结构可以显著提高PEC效率。这些异质结构通常具有II型能带对齐，从而实现电荷载流子的空间分离。然而，界面缺陷，如晶格失配或不兼容的表面化学，可能成为复合材料的重组中心，从而降低整体效率。例如，SiC与MoS?之间的晶格失配约为4%，这可能在界面引入应变和缺陷。近期研究表明，当金属-半导体异质结构的晶格失配超过15-20%时，会产生高密度的界面缺陷，显著加速电荷载流子的重组并降低光电性能。即使在适度的晶格失配下，维持缺陷自由的外延生长仍然是一个挑战。为了缓解这些问题，提出了使用缓冲层、非外延生长诱导的阳离子交换反应以及范德华异质界面等策略。范德华异质界面，其界面间隙约为0.3-0.5 nm，可以容纳晶格失配并抑制位错的形成。例如，通过范德华和远程外延方法制造的自由膜层在晶格失配限制下表现出最小的界面约束。然而，维持原子级清洁的界面仍然具有挑战性，因为残余污染、二维层厚度变化和润湿性差可能引发形态缺陷，增加重组率并限制实际效率。虽然晶片再利用和可扩展的剥离技术提供了成本降低的潜力，但层转移、缺陷监测和热管理的复杂性仍然对大规模集成构成关键障碍。二维材料在水性环境中的稳定性仍然是一个关注点，因此需要保护涂层或替代材料选择。

尽管在这一领域取得了理论上的突破，但实际的PEC系统往往面临性能差距的问题：尽管模拟可能预测STH效率超过30%，但基于SiC的光电极实验值通常仍低于8%。这种差距源于理想化建模假设，如缺陷自由、完美晶体界面，以及对实际因素如晶格失配、电荷在晶界重组、催化剂降解和多层电极的光学损失的忽视。为弥合这一差距，需要更全面地将机器学习（ML）增强的模拟与实验表征相结合，以指导迭代设计和制造过程。

此外，SiC在光催化反应中的应用也扩展到了氮气还原反应，这使得可持续能源转换的应用范围超出了水分解。这些研究展示了将SiC基异质结构与相关半导体材料结合的潜力，能够在温和条件下实现高效的氨气生产，突显了这些方法的多样性和重要性。在PEC过程中，阳光照射电极在水性电解质中，将光子能量转化为电化学能量。为了实现水分解，光电极材料的禁带隙必须等于或大于入射光子的能量。理论上，每个电子所需的最小能量为1.23 eV，这与可见光子的能量相匹配。然而，在实践中，半导体光催化效率往往因能量损失和其他挑战而降低。

挑战包括光吸收能力差、电荷分离效率低以及在水性电解质中的稳定性问题。稳定的宽禁带材料如TiO?仅能吸收紫外光，而更窄的禁带隙半导体如硅或砷化镓在捕获可见光的同时却容易腐蚀。硅碳化物（SiC）具有可调的宽禁带隙，使其能够在不同太阳光谱区域中进行优化，这是其在PEC应用中的关键优势。其化学惰性、机械强度和热稳定性使其在恶劣的PEC环境中表现良好。高载流子迁移率和异质结构的兼容性有助于电荷分离，如纳米多孔3C-SiC实现了2.30 mA/cm2的光电流。

通过将SiC与二维材料（如MoS?、磷烯或TiO?）结合的异质结构可以显著提高PEC效率。这些异质结构通常具有II型能带对齐，从而实现电荷载流子的空间分离。然而，界面缺陷，如晶格失配或不兼容的表面化学，可能成为重组中心，从而降低整体效率。例如，SiC与MoS?之间的晶格失配约为4%，这可能在界面引入应变和缺陷。近期研究表明，当金属-半导体异质结构的晶格失配超过15-20%时，会产生高密度的界面缺陷，显著加速电荷载流子的重组并降低光电性能。即使在适度的晶格失配下，维持缺陷自由的外延生长仍然是一个挑战。为了缓解这些问题，提出了使用缓冲层、非外延生长诱导的阳离子交换反应以及范德华异质界面等策略。范德华异质界面，其界面间隙约为0.3-0.5 nm，可以容纳晶格失配并抑制位错的形成。例如，通过范德华和远程外延方法制造的自由膜层在晶格失配限制下表现出最小的界面约束。然而，维持原子级清洁的界面仍然具有挑战性，因为残余污染、二维层厚度变化和润湿性差可能引发形态缺陷，增加重组率并限制实际效率。虽然晶片再利用和可扩展的剥离技术提供了成本降低的潜力，但层转移、缺陷监测和热管理的复杂性仍然对大规模集成构成关键障碍。二维材料在水性环境中的稳定性仍然是一个关注点，因此需要保护涂层或替代材料选择。

通过将SiC与二维材料（如MoS?、磷烯或TiO?）结合的异质结构可以显著提高PEC效率。这些异质结构通常具有II型能带对齐，从而实现电荷载流子的空间分离。然而，界面缺陷，如晶格失配或不兼容的表面化学，可能成为重组中心，从而降低整体效率。例如，SiC与MoS?之间的晶格失配约为4%，这可能在界面引入应变和缺陷。近期研究表明，当金属-半导体异质结构的晶格失配超过15-20%时，会产生高密度的界面缺陷，显著加速电荷载流子的重组并降低光电性能。即使在适度的晶格失配下，维持缺陷自由的外延生长仍然是一个挑战。为了缓解这些问题，提出了使用缓冲层、非外延生长诱导的阳离子交换反应以及范德华异质界面等策略。范德华异质界面，其界面间隙约为0.3-0.5 nm，可以容纳晶格失配并抑制位错的形成。例如，通过范德华和远程外延方法制造的自由膜层在晶格失配限制下表现出最小的界面约束。然而，维持原子级清洁的界面仍然具有挑战性，因为残余污染、二维层厚度变化和润湿性差可能引发形态缺陷，增加重组率并限制实际效率。虽然晶片再利用和可扩展的剥离技术提供了成本降低的潜力，但层转移、缺陷监测和热管理的复杂性仍然对大规模集成构成关键障碍。二维材料在水性环境中的稳定性仍然是一个关注点，因此需要保护涂层或替代材料选择。

通过将SiC与二维材料（如MoS?、磷烯或TiO?）结合的异质结构可以显著提高PEC效率。这些异质结构通常具有II型能带对齐，从而实现电荷载流子的空间分离。然而，界面缺陷，如晶格失配或不兼容的表面化学，可能成为重组中心，从而降低整体效率。例如，SiC与MoS?之间的晶格失配约为4%，这可能在界面引入应变和缺陷。近期研究表明，当金属-半导体异质结构的晶格失配超过15-20%时，会产生高密度的界面缺陷，显著加速电荷载流子的重组并降低光电性能。即使在适度的晶格失配下，维持缺陷自由的外延生长仍然是一个挑战。为了缓解这些问题，提出了使用缓冲层、非外延生长诱导的阳离子交换反应以及范德华异质界面等策略。范德华异质界面，其界面间隙约为0.3-0.5 nm，可以容纳晶格失配并抑制位错的形成。例如，通过范德华和远程外延方法制造的自由膜层在晶格失配限制下表现出最小的界面约束。然而，维持原子级清洁的界面仍然具有挑战性，因为残余污染、二维层厚度变化和润湿性差可能引发形态缺陷，增加重组率并限制实际效率。虽然晶片再利用和可扩展的剥离技术提供了成本降低的潜力，但层转移、缺陷监测和热管理的复杂性仍然对大规模集成构成关键障碍。二维材料在水性环境中的稳定性仍然是一个关注点，因此需要保护涂层或替代材料选择。

此外，基于SiC的异质结构在多个领域展现出了广阔的应用前景。例如，通过结合多种半导体材料，如TiO?、WO?和BiVO?，可以构建出具有高稳定性和可扩展性的PEC系统。通过将不同带隙的半导体材料组合成串联PEC单元，可以优化光吸收和电荷分离，提高整体效率。然而，这些系统在实际应用中仍面临诸多挑战，包括电荷分离效率、电极的耐久性以及成本效益。为了克服这些障碍，需要进一步优化材料性能、开发新型合成方法以及改进界面工程策略。

综上所述，硅碳化物在光电化学水分解技术中展现出巨大的潜力，其可调的宽禁带隙、高载流子迁移率和优异的化学稳定性使其成为传统半导体材料的理想替代品。通过结合新型异质结构设计和优化合成方法，可以进一步提升其在实际应用中的性能和效率。然而，实现高STH效率和长寿命仍需解决界面缺陷、光腐蚀和成本问题。因此，未来的研究应重点关注材料优化、界面工程和大规模制造技术，以推动基于SiC的PEC系统向实际应用迈进。