科学家阐明半导体异质结光催化析氧反应机制

华东理工大学教授王海丰团队系统研究了固液界面环境下的光催化析氧反应（OER）过程，建立了助催化剂“本征活性—电荷积累”解耦分析框架，并从理论层面阐明了“助催化剂—半导体异质结”中“活性—载流子”耦合调控光催化OER的微观机制，为面向太阳能燃料制备的高效异质结催化材料设计提供了可推广的新思路。相关研究成果近日发表于《能源与环境科学》。

TiO 2和IrO 2/TiO 2光催化OER示意图，以及催化剂的火山型活性变化规律和本征活性随金属氧化物功函数变化趋势。研究团队供图

太阳能驱动水分解制氢是实现绿色能源转化的重要途径，其中OER是制约光催化整体效率提升的核心瓶颈之一。在半导体表面负载助催化剂被认为是提升OER性能的有效策略，但在实际助催化剂—半导体异质结体系中，这两种作用往往高度耦合，难以区分其各自贡献，导致助催化剂筛选和性能优化长期缺乏清晰的定量理论依据。

针对这一难题，研究团队以典型二氧化铱（IrO2）/二氧化钛（TiO2）助催化剂—半导体异质结为模型，结合从头算分子动力学和第一性原理微观动力学模拟，系统研究了固液界面环境下的光催化OER过程。研究结果表明，在IrO2/TiO2体系表现出的优异OER性能，主要来源于IrO2较强的空穴积累能力，以及异质结界面肖特基结所引起的表面空穴浓度提升。

进一步地，研究团队将该分析框架推广至一系列金红石型金属氧化物助催化剂。结果显示，助催化剂的本征催化活性与空穴积累能力之间存在类似“跷跷板”的竞争关系，只有在本征反应活性与界面电荷积累能力之间实现适度平衡时，才能获得更优的OER性能。

在此基础上，研究团队提出功函数可作为连接空穴积累能力与催化本征活性的统一描述符，并预测具有适中功函数的二氧化铑（RhO2）、二氧化铬（CrO2）等助催化剂有望在光催化OER中表现出更优性能。