长期以来，使用硅（Si）作为光电阴极一直被认为是实现低成本光电化学（PEC）太阳能制氢的理想途径。然而，电荷转移效率和稳定性之间的矛盾严重制约了Si基PEC器件在碱性介质中的实际应用。

近日，苏州大学沈明荣教授，范荣磊报道了提出了一种简易的热电沉积工艺，在Si光电阴极中集成具有梯度结构Ni₃S₂（G-Ni₃S_xO_2−x）层，以在碱性溶液中同时起到保护和催化作用。

文章要点

1）研究人员在NiSO₄•6H₂O和硫脲组成的前驱体溶液中，采用简单的热电沉积方法在p-Si衬底上制备了Ni₃S₂和G-Ni₃S_xO_2−x纳米结构。SEM图像显示，一层空间互连的共形G-Ni₃S_xO_2−x纳米片在Si上呈近似垂直排列，厚度约为200 nm。而在Si上沉积的厚度相近的普通Ni₃S₂层，显示出更少的多孔表面。TEM图像进一步揭示了G-Ni₃S_xO₂₋x的多孔纳米结构。

2）研究发现，G-Ni₃S_xO_2−x层不仅为析氢反应提供了丰富的活性中心，而且促进了电荷的分离、传输和传质。因此，所制备的Si光电阴极在模拟AM1.5G光照下表现出了良好的电化学活性，起始电位为0.39 V（vs.RHE），在0 V（vs.RHE）的光电流密度为−33.8 mA cm⁻²，优于目前最先进的p-Si基光电阴极。

3）此外，G-Ni₃S_xO_2−x层与Si衬底具有良好的界面接触，在G-Ni₃S_xO_2−x/Si界面处的应力可以忽略不计。因此，在碱性介质中，电流密度超过30 mA cm⁻²时，具有超过120 h的出色耐久性能。

这种梯度结构策略为设计高效耐用的PEC器件开辟了新的途径。

参考文献

Cong Chen, et al, Gradient-Structuring Manipulation in Ni₃S₂ Layer Boosts Solar Hydrogen Production of Si Photocathode in Alkaline Media, Adv. Energy Mater. 2021

DOI: 10.1002/aenm.202102865

https://doi.org/10.1002/aenm.202102865