近日，四川大学材料科学与工程学院张和民课题组在国际期刊《Nature Communications》上发表了题为“Parallel multi-stacked photoanodes of Sb-doped p–n homojunction hematite with near-theoretical solar conversion efficiency”的学术论文。文章报道了一种由混合微波退火诱导锑离子从表面到内部的价态逐渐增加，构建p-n同质结赤铁矿光阳极，实现了光阳极兼具高的光电催化性能和高透光性，在高效叠层光电极方面展现巨大的应用潜力。
太阳能分解水制绿氢大致可分为三类：粉末光催化体系设计简单且成本低廉，然而最高的太阳能至氢能（STH）转换效率仅有1%；太阳能电池耦合电解水制氢，然而体系设计复杂、运维成本高昂，工业化仍面临巨大挑战；太阳能光电催化（PEC）分解水制氢，能够兼顾高的STH效率和低的成本，是最有可能商业化的技术。在太阳能光电催化分解水制氢的应用中，高透明度高效光阳极的制备技术是非常具有挑战性且意义重大，是开发无偏压太阳能分解水制氢系统器件的关键。
赤铁矿（α-Fe2O3）是一种极具应用潜力的光阳极材料，它拥有较宽的可见光响应、合适的禁带宽度和价带位置以及更低的制备成本。然而，极短的光生空穴扩散长度（2–4 nm）、低载流子迁移率（< 0.2 cm2V–1S–1）和缓慢的表面析氧动力学等固有缺陷严重抑制了光激发电子空穴对的有效分离和空穴的高效利用，导致目前赤铁矿光阳极的实际性能仍然远低于其理论值。论文针对上述问题进行了多个方面的创新和突破：基于混合微波退火技术合成了高结晶性的纳米棒阵列，纳米形貌结构保证了透光性；单一锑离子掺杂构建了p-n氧化铁同质结纳米棒，提高了光电催化性能；叠层结构的设计使得光电流密度接近其理论值。在100 mW cm−2的模拟太阳光照射下，在1.23 VRHE的偏压下，单个p-n同质结氧化铁光阳极获得了4.21 mA cm−2的稳定光电流密度，由6个光电极组成的叠层光阳极在标准测试条件下实现了高达10mA cm−2的光电流密度，已接近氧化铁光电极的理论极限值（12.6mA cm−2）。该成果使得廉价易得的氧化铁材料在太阳能分解水制氢的实际应用中具备商业化应用前景。
该论文以四川大学材料科学与工程学院为第一完成单位，材料科学与工程学院21级硕士研究生许晨阳为论文的第一作者，张和民、陈君泽，与韩国蔚山科学技术院Jae Sung Lee教授为共同通讯作者；该工作得到了国家自然科学基金、四川省科技厅项目和中央高校基本科研业务费的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53967-y
