近日，中國科學技術大學國家同步輻射實驗室劉慶華副研究員、何勁夫博士和姚濤副研究員等利用同步輻射x射線吸收譜學(xafs)技術，在新型太陽能轉化功能材料的形貌結構和性能調控中取得新進展，研究成果發表在10月6日的《自然-通訊》上。

針對金屬氧化物在可見光區水分解性能低的科學問題，研究人員提出一種通過形成“矢量遷移通道”的能級結構來引導光生載流子遷移的途徑。實驗上，通過將一層2~3nm厚的fe2tio5窄禁帶(2.2ev)半導體材料包覆在高度有序的tio2納米管陣列表面，在fe2tio5/tio2之間形成載流子分離界面，成功地將光生空穴從材料內部定向遷移到表面催化反應活性位點；同時，fe2tio5與tio2匹配的導帶結構極大減小了水分解反應的過電勢，從而使得fe2tio5-tio2復合結構在400-600nm波長范圍的量子轉換效率高達40%以上，總的能量轉換效率達到2.7%。研究人員還利用同步輻射x射線吸收譜學和電化學阻抗譜技術等一系列測量和理論分析，證實了fe2tio5-tio2界面的“矢量遷移通道”能級結構是實現光生載流子定向遷移的原因。

該研究工作豐富了人們利用能帶工程來改善光解水可見光量子效率的認識，為進一步調控氧化物半導體光催化劑水分解性能提供了新思路。審稿人認為：這項工作所提出的載流子分離方法和通過能級剪裁來降低水分解起始電勢的途徑在太陽能水分解領域有著非常重要的潛在意義。

上述研究得到國家自然科學基金重點項目、創新研究群體項目和科技部“973”項目等基金的資助。