由于燃料电池内的氢气可以产生电力，因此将水可靠地分解成氢气和氧气的可扩展方法可能对能源行业产生有价值的影响。这些方法可以帮助生产大量的氢气，用于更可持续的能源解决方案，有助于减少地球上的温室气体排放。

将水分子分解成氢和氧的一种方法需要使用光催化剂，这种材料可以吸收光并利用其能量引发化学反应。这种方法基本上需要用光照射这些材料，触发水分子变成氢和氧的反应。

中国西北工业大学的研究人员最近推出了新的杂化光催化剂，其内部量子效率超过100%。这些材料在Nature Energy的一篇论文中介绍，被发现可以克服以前提出的用于水分解过程的光催化系统的一些缺点。

“在过去的十年中，研究人员进行了多次尝试，以实现超过10%的太阳能到氢气效率，这是氢市场上具有竞争力的基准效率，”进行这项研究的研究人员之一李宣华博士告诉Tech Xplore。

“为了实现这一目标，光催化水分解反应期间光催化剂的内部量子效率(入射光子数量与产生的氢量的两倍之比)必须在很宽的激发波长范围内达到中等高值(理想情况下>100%)。

过去的几项研究试图设计有用的策略来提高光催化剂和光电器件的量子效率，因为大多数先前报道的效率不足以使水分解过程的广泛使用。一种被发现特别有前途的策略利用了所谓的多激子产生(MEG)效应，其中纳米晶体量子点吸收单个光子以产生多个激子。

“例如，一项研究表明，铅盐纳米晶体的量子效率与泵浦光子能量大致线性增加，并表现出高达700%的最大量子效率，”李博士解释说。“如之前的工作所示，将PbS量子点沉积在氟掺杂的氧化锡/ TiO的顶部2通过逐层方法可以在光电化学电池中实现超过100%的IQE用于制氢。然而，与光电器件相比，由于将电能添加到氢能的过程中，颗粒光催化水分解系统中MEG效应的演示仍然很少。

李博士及其同事最近工作的主要目标是设计利用MEG效应的高效水分解的新型光催化剂。他们希望这些材料的内部量子效率将超过100%，使其成为可扩展生产氢气的可行解决方案。

为了构建这些高效的光催化剂，研究人员必须构建强大的界面内置电场和界面捕获状态。这反过来又为他们提供了足够的驱动力，让他们在光催化水分解中使用多激子产生(MEG)效应。

“我们开发了由CdTe量子点和V掺杂In组成的混合光催化剂2S3(CdTe/V-In2S3)“，李博士说。“具体来说，增加量子点尺寸和V-dappant含量会导致CdTe量子点的费米能级下降，而V-In的费米能级下降。2S3，导致费米能级差增加，从而使 CdTe/V-In 处的内置电场强度增加 14.14 倍2S3接口。同时，在CdTe/V-In处由In 5s和S 3p轨道组成的界面状态2S3接口生成。

在光催化过程中，CdTe量子点在团队的光催化剂中激发导致热电子和空穴的产生。在材料内置电场的驱动下，CdTe量子点导带中的热电子从CdTe传输到V-In。2S3并最终被困在CdTe/V-In中2S3界面，处于由In 5s和S 3p轨道组成的界面状态。

“与传统的光催化剂不同，CdTe/V-In的强内置电场和界面状态2S3界面减缓了热电子的弛豫速率，使具有足够多余能量的热电子能够进行MEG，“李博士说。“最终，光催化剂在114nm的激发波长下表现出约350%的内部量子效率，据我们所知，这是报道的用于整体水分解的光催化剂中最高的值。我们对界面内置电场和界面状态的优化，为MEG在光催化水分解中的有效利用铺平了道路。

在初步评估中，该研究小组设计的混合光催化剂取得了非常有希望的结果，表现出比之前提出的用于水分解的所有光催化剂更高的内部量子效率。未来，这项工作可以为光催化水分解的大规模实施铺平道路。

李博士及其同事提出的设计策略也为在MEG体系中运行的光催化器件的设计开辟了新的可能性。这可能很快导致开发具有越来越高的量子和太阳能制氢效率的其他材料和解决方案，这可以进一步促进太阳能生产氢气的使用。

“需要注意的是，CdTe/V-In的光催化整体水分解能力2S3可能受到V-In之间光吸收竞争的限制2S3和CdTe量子点，“李博士补充道。“此外，在宽波长范围内实现高量子效率对于1提高这项技术的实用性至关重要。为了进一步推进这项研究，我们的目标是开发具有更大内置电场强度和多种价带界面状态的更有效的光催化剂，例如通过构建Janus结构。

在接下来的研究中，李博士和他的同事们还计划创造具有宽吸收范围的新型非MEG / MEG异质结。通过将波长互补的MEG组分与非MEG组分相结合，他们希望进一步提高光催化剂的整体性能。