原子層介孔In2O3–x/In2S3異質結光電極：高效光電化學分解水
光電化學分解水被認為是將太陽能轉換成清潔、可再生的氫能的有效途徑，其原理是半導體材料吸收光後激發出電子和空穴來進行相應的氧化還原反應。其中光電催化水氧化因四個電子轉移過程使得高效的反應更加難以實現，因此研究人員對其效率的提高進行了大量的研究。二維半導體材料因為其獨特的電子和光學性質得到了廣泛的關注。其中原子層二維材料可以促進電子和空穴分離，提供高活性面積以及拓寬光的吸收，所以對於光電催化反應性能的提高具有重要的意義。然而，單一的二維半導體材料因電子空穴傳輸和分離問題，從而制約了其光電分解水效率。研究報道中，異質結工程能夠有效地解決載流子複合的問題。但是，構築異質材料的過程往往由於界面之間的不良接觸使得異質材料間的載流子傳遞受限，因而難以高效地實現電子空穴分離效率的提高。此外，多孔結構能有效地降低電子空穴的遷移距離，從而降低載流子的複合幾率，有利於空穴遷移到材料表面進行相應的水分解反應。為此，構築界面接觸良好的介孔二維原子層異質結材料可作為實現高效光電催化水分解的有效途徑。
近日，大連理工大學精細化工國家重點實驗室的侯軍剛教授、孫立成教授與中科院理化所的林哲帥研究員共同開發了二維介孔In2O3–x/In2S3原子層異質結，能夠高效的實施光電催化水分解反應。研究人員利用所製備的In2S3原子層納米片，通過原位氧等離子體誘導策略，有效將In2S3原子層納米片轉化為介孔In2O3–x/In2S3原子層納米片異質結體系。將二維介孔In2O3–x/In2S3原子層納米片異質結製備成光電極，其光陽極在1.23 V vs RHE電位下達到了1.28 mA cm-2的光電流密度，相比於單一In2S3以及塊體In2S3均有了大幅度的提高。通過瞬態吸收光譜的表徵表明In2O3–x/In2S3原子層異質結相比於單一In2S3原子層的激發電荷壽命得到了很大地提高，從而證明了In2S3和In2O3–x界面間的有效電荷轉移。密度泛函理論計算表明In2S3和In2O3–x原子層的電子結構均發生了很大的變化，證明了In2S3和In2O3–x界面間的強力耦合，從而保證了高效的界面間電荷傳遞。二維原子層In2O3–x/In2S3異質結光陽極的優異性能可歸因於（1）原子層級二維納米結構提供了高的活性面積，為光生電荷的傳輸構建了高速通道，並且有利於光電極與電解液的接觸；（2）其介孔結構有利於活性位點的暴露以及氣體的釋放；（3）原子層級In2O3–x/In2S3異質結，為光生電子和空穴的分離和傳輸構建了通道，提高了電荷分離效率，促進了界面間的電荷轉移，從而大幅度提高了其光電化學分解水的效率。
相關論文在線發表在期刊Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/aenm.201701114）上。
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