一项新研究揭示了限制光电化学水分解利用二氧化钛光阳极进行清洁氢气生产效率的关键因素。研究人员将强度调制光电流光谱与弛豫时间分布分析相结合，以分析载流子动态。他们识别出与光强和不同施加电位下复合相关的明显行为，并发现了一种先前未报告的“卫星峰”，为改善材料设计和氢气生产效率提供了新的见解。
氢燃料正在成为一种可能取代化石燃料的清洁能源。可持续生产氢气的一种方式是通过光电化学（PEC）水分解，其中二氧化钛（TiO₂）这样的光阳极吸收阳光并促进氧的产生，而氢气则在阴极产生。然而，光阳极中的过程由于电子和空穴在完成反应之前复合而遭受效率损失。理解这些损失对于改善技术至关重要。
一项最近的研究，发表于美国化学学会杂志（Journal of the American Chemical Society）2025年2月22日，提供了对此挑战的新见解。在这项研究中，日本先进科学技术研究所（JAIST）的Cho Yohei博士和东京城市大学的Amano Fumiaki教授，与东京科学研究所、帝国理工学院和斯旺西大学的研究人员合作，使用一种先进技术实时跟踪电子运动。
研究人员通过将强度调制光电流光谱（IMPS）与弛豫时间分布（DRT）分析结合，识别出了以前无法分开的电荷传输行为。与传统方法不同，这种方法不依赖预定义的电路模型，从而允许更清晰和更直接的分析。
“我们的方法使我们能够详细观察电子运动，揭示以前无法分开的过程。这不仅改善了我们对电荷传输的基础理解，还提供了直接提升材料性能的途径，”Cho博士说。
截至目前，PEC水分解中的能量损失被认为无法定量区分。这项研究揭示，复合通过三种不同机制发生。在更高电压下，当光线过深穿透材料时，会导致过穿透诱导复合（OPR）而产生效率损失。在中电压下，光生空穴的过量积累会导致第二种复合类型，称为过量空穴诱导复合（EHR）。在较低电压下，回归的电子与空穴在它们能够贡献于反应之前复合，称为反向电子-空穴复合（BER）。该研究还表明，复合效应根据光强度的不同而变化，揭示材料性能高度依赖于外部条件。
研究的一个最激动人心的发现是检测到一种先前未知的慢反应，研究人员称之为“卫星峰”。“卫星峰的发现至关重要，因为它帮助我们确定水分解中的速率限制步骤。通过解决这一点，我们可以显著提高PEC系统的效率，”Cho博士强调。
除了氢气生产之外，这一突破有更广泛的应用，从二氧化碳减排和废水处理到自清洁和抗菌表面。“我们的方法在各种光催化系统中广泛适用。通过理解和减少复合损失，我们可以优化材料，以应对一系列清洁能源和环境应用，”Amano教授评论道。
展望未来，这项研究可能为未来五到十年内清洁能源的重大进展铺平道路。通过提供一种精确的工具来诊断和减少能量损失，科学家们可以开发新的材料，显著提高氢气生产效率。这将使太阳能氢气成为更可行和负担得起的能源来源，帮助减少对化石燃料的依赖，加速向更加环保的世界转型。
“虽然进一步研究是必要的，以全面评估长期影响，但这项工作为半导体技术的潜在进步奠定了坚实的基础，”Cho博士相信。
