老树开新花，氧化亚铜上正刊

一、【科学背景】

能源可分为再生能源和非再生能源两大类别。再生能源包括太阳能、水能、风能等，它们在自然界中具有循环再生的特性。作为一种取之不尽用之不竭的资源，再生能源无需人工干预即可自动再生，与会枯竭的非再生能源形成鲜明对比。然而，如何高效地利用这些可再生能源是当前面临的重大挑战。

光电催化水分解是一项极具潜力的可再生能源技术，能够直接将太阳能转化为氢能。在光电催化水分解体系中，Cu₂O是一种高效廉价光电催化制氢电极材料，具有原材料储备丰富、制备方法简便、带隙较窄以及合适的能级位置等优点。其中合成高质量氧化亚铜薄膜是降低载流子复合，提升光电催化效率的关键，但仍然缺乏有效手段。

二、【科学贡献】

南开大学罗景山教授团队与英国剑桥大学Samuel D. Stranks教授团队以及瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel教授和Anders Hagfeldt教授团队合作，采用溶液电化学Cu₂O薄膜外延生长技术成功制备出高质量的[111]、[110]和[100]晶向的单晶Cu₂O光电极，并揭示了不同晶向对Cu₂O体相内载流子复合的影响机制。作者发现单晶Cu₂O沿[111]晶向具有更优的载流子迁移率、电导率和载流子扩散长度，并展现出相对更大的光电流密度。结果显示，在0.5V时沿[111]晶向和(111)晶面的Cu₂O光电极的光电流密度达到7 mA cm^-2,提高了70%。此外，作者还探究了不同晶向对Cu₂O光电极稳定性的影响，他们发现Cu₂O光电极沿[111]晶向和(111)晶面在空气质量 1.5 G 的照明下使用可逆氢电极可以稳定运行120 小时以上。

图1 SC-Cu₂O薄膜表现出各向异性PEC性能和迁移率

图2 具有不同晶向的SC-Cu₂O薄膜的瞬态反射光谱

图3 具有主要取向的多晶Cu₂O光电阴极

三、【创新点】

作者利用溶液电化学外延生长技术，提出了一种新的方法来制备三种不同晶向的高质量单晶Cu₂O薄膜。并结合超快瞬态反射光谱量化分析了Cu₂O各向异性光电特性，成功制备了以[111]为主要晶向的多晶Cu₂O光电极，超越了目前最先进的Cu₂O 光电催化性能，实现了在光电催化制氢的效率突破。

四、【科学启迪】

该研究创新地开发了溶液电化学外延生长制备单晶Cu₂O薄膜技术，并对不同晶面取向的Cu₂O薄膜的光电特性进行了量化分析，揭示了不同晶向光电特性对Cu₂O体相载流子复合行为的影响，发现以[111]为主要晶向的多晶Cu₂O光电极可以显著提升光电催化性能，这些发现可以使未来在高性能Cu₂O器件设计方面，使得器件的性能达到更高的水平。

文章详情：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07273-8