近日，中國科學院大連化學物理研究所太陽能研究部院士李燦、研究員施晶瑩團隊在太陽能光電催化分解水制氫研究方面取得新進展，揭示了保護氮化鉭（Ta₃N₅）光陽極的空穴儲存層——水鐵礦的水合結構與其空穴儲存功能之間的構效關系。

　　光電催化分解水是利用太陽能獲取綠色氫能的理想途徑之一。光陽極上水氧化產氧半反應是太陽能光電催化分解水的決速步驟，其反應過程動力學緩慢，且寬光譜響應半導體吸光材料極易因光生空穴氧化而被破壞。針對這一難題，在前期研究工作中，該團隊發現并提出了“空穴儲存層”的新概念及新策略，以水鐵礦（Ferrihydrite，Fh）作為一種典型的“空穴儲存層”材料，構建了基于窄帶隙半導體Ta₃N₅的高效穩定的光陽極體系（Angew. Chem. Int. Ed.，2014；Energy Environ. Sci.，2016；Chem. Eur. J.，2015）?？昭▋Υ鎸涌杉皶r、有效地轉移吸光半導體氮化鉭中產生的光生空穴，從而抑制其光腐蝕，實現穩定的光電催化水氧化反應；通過其與氧化鈦等修飾層的聯用，使得氮化鉭基光陽極產生接近理論極限的水氧化光電流，創造并多年保持同類體系中的最高太陽能轉換效率。然而，作為“空穴儲存層”的水鐵礦的微觀結構尚不清楚。

大連化物所揭示光電催化分解水中空穴儲存層的水合結構

　　本工作通過Fh熱處理脫水過程以及系統的結構表征分析，發現水鐵礦內部擁有三類含化學結晶水的鐵氧簇結構單元，伴隨著焙燒處理下的水合結構演化，其在氮化鉭光陽極體系中的“空穴儲存”功能被逐漸調變（弱化），進一步利用精確升溫失重測定、XRD、XPS、穆斯堡爾譜等技術進行深入研究，確定結晶水對于維持水鐵礦結構和空穴儲存功能具有重要作用，并揭示了水鐵礦的空穴儲存能力與其水合結構的構效關系，為光電極界面修飾層的理性設計提供了重要的參考。

　　相關結果發表在《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.）上，并被選為熱點文章（Hot Paper）。該工作得到國家自然科學基金委“人工光合成科學中心”項目、科技部重點研發項目、中科院B類先導專項“能源化學轉化的本質與調控”等項目的資助。