特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。光电化学(PEC)水分解生产氢燃料的技术早在50年前就被首次报道，但人工光合作用并没有成为一项广泛应用的技术。尽管平面硅太阳能电池在经济上已成为与化石燃料竞争的无处不在的电能来源，但类似的PEC器件还没有实现，标准的Si p型/n型(p-n)结不能用于水分解，因为带隙阻碍了所需的光电压的产生。颗粒悬浮反应器(PSR)放弃了刚性设计，有利于单个PEC颗粒悬浮在溶液中，与平面系统相比，这是一个潜在的低成本选择。有鉴于此，美国北卡罗来纳大学James F. Cahoon等人报道了硅基PSRs通过合成高光电压多结硅纳米线(SiNWs)协同功能化催化水分解。通过在单个SiNWs中编码p型-本征-n型(p-i-n)超晶格，在1太阳光照下观察到超过10 V的可调光伏。析氧和析氢共催化剂的空间选择性光电沉积使水在大约1050 nm的红外波长下裂解，亚波长直径SiNWs的光子特性决定了制氢的效率和光谱依赖性。尽管初始能量转换效率很低，但多结SiNWs为PSR设计带来了可调谐的中尺度几何结构的光子优势和Si的材料优势(包括小带隙和规模经济)，为水分解反应堆提供了一种新方法。水分解颗粒悬浮反应器(PSR)最简单的形式是一个透明的袋子，里面装满了暴露在日光下的光催化颗粒浆或溶液，从中提取氢和氧。为了实现能够PEC水分解的MJ SiNW，必须依次生长多个p-i-n结，且p-i-n单元之间的n-p结必须表现为隧道结，通过载流子的带对带隧道将p-i-n单元串联起来，以相加单个单元的电压。
图 使用p-i-n超晶格编码的共功能化SiNW的PSR设计在自制的化学气相沉积反应器中，通过金催化蒸汽-液体-固体(VLS)工艺生长了直径约150-200 nm的硅纳米线，能够实现p型和n型Si的掺杂突变。在生长过程中，用可变数量(N)的p-i-n或n-i-p单位对SiNW进行编码。通过选择性湿化学蚀刻揭示了单个连接的高质量。
作者开发了一种自下而上的空间选择性光电沉积工艺，使用内置结在SiNW末端电化学沉积金属或金属氧化物，分别使用铂和钴氧化物(CoOx)材料作为HEC和OEC。
图 空间选择性光电沉积MJ SiNWs的共催化剂功能化为了测试共功能化MJ SiNW的PEC活性，使用毫米级双电极电池制作了单SiNW器件。将40结p-i-n SiNWs的HEC或OEC功能化端暴露在pH值为7的水中，并将SiNWs的另一端分别电连接到宏观Ir/IrOx或Pt对电极上，制备了单独的器件。在零外部偏压和可变波长(445-650 nm)的发光二极管(led)短切照明下，分别对Pt和CoOx端暴露的SiNW观察到光阴极电流和光阳极电流，该器件表现出优异的水分解能力。在未来的PSR设计中，有很大的机可以通过优化散射特性，MJ设计和助催化剂来提高性能。
图 OEC-和HEC -功能化MJ p-i-n SiNWs的水分解Teitsworth, T.S., Hill, D.J., Litvin, S.R. et al. Water splitting with silicon p–i–n superlattices suspended in solution. Nature 614, 270-274 (2023).DOI: 10.1038/s41586-022-05549-5https://doi.org/10.1038/s41586-022-05549-5
