中国科大科研成果或可永久解决能源问题

中安在线讯 中国科大国家同步辐射实验室刘庆华副研究员、何劲夫博士和姚涛副研究员等利用同步辐射X射线吸收谱学技术，在研究新型太阳能转化功能材料的形貌结构和性能调控中取得重要进展。该研究工作极大地丰富了人们利用能带工程来改善光解水可见光量子效率的认识，为进一步调控氧化物半导体光催化剂水分解性能提供了新思路。

通过太阳能光解水的“人工光合作用”将太阳能转换为清洁的氢能，被认为是21世纪人类解决能源和环境问题的最有效途径之一。在过去的几十年里，国内外研究者已经在光解水领域展开了广泛的工作，但目前取得的可见光区的量子转换效率仍然比较低，严重限制了太阳能光解水技术的工业化应用前景。

科学家普遍认为，导致金属氧化物在可见光区水分解性能低的本质原因主要有以下两个方面：一是常见的金属氧化物半导体光生载流子的迁移距离比较短、复合比较快；二是通常需要较大的过电势才能完成水的氧化反应。如何解决这些难题就成为提高金属氧化物的可见光水分解性能的必要途径。

针对以上科学难点问题，他们从理论上提出一种通过形成“矢量迁移通道”的能级结构来引导光生载流子迁移的途径。实验上通过将一层2纳米至3纳米厚的钛酸铁窄禁带半导体材料包覆在高度有序的钛白粉纳米管阵列表面，在钛酸铁/钛白粉之间形成载流子分离界面，成功地将光生空穴从材料内部定向迁移到表面催化反应活性位点；同时，钛酸铁—钛白粉匹配的导带结构极大减小了水分解反应的过电势，从而使得钛酸铁与钛白粉复合结构在400纳米至600纳米波长范围的量子转换效率高达40%以上，总的能量转换效率达到2.7%。并利用同步辐射X射线吸收谱学和电化学阻抗谱技术等一系列测量和理论分析，证实了钛酸铁—钛白粉界面的“矢量迁移通道”能级结构是实现光生载流子定向迁移的原因。

审稿人认为，这项工作所提出的载流子分离方法和通过能级剪裁来降低水分解起始电势的途径在太阳能水分解领域有着非常重要的潜在意义。

以上研究成果于10月6日在国际著名期刊《自然•通讯》上。该项研究得到国家自然科学基金重点项目、创新研究群体项目和科技部973项目等基金的资助。（赵孝刚）