北京時間2025年2月25日18:00，國際頂級期刊Nature Catalysis在線發(fā)表了我校化學(xué)與醫(yī)藥工程學(xué)院王君博士的最新研究成果“Metal vacancies in semiconductor oxides enhance hole mobility for efficient photoelectrochemical water splitting”。長沙理工大學(xué)化學(xué)與醫(yī)藥工程學(xué)院王君博士為論文的第一作者、廖婉茹博士為共同第一作者，中南大學(xué)劉敏教授和德國慕尼黑大學(xué)Emiliano Cortés教授為論文的通訊作者。Nature Catalysis主要刊登化學(xué)、催化等領(lǐng)域創(chuàng)新性極強的研究性文章，是Nature旗下著名的頂級刊物之一，被Nature Index自然指數(shù)收錄，最新影響因子為42.8。

光電化學(xué)（PEC）水分解技術(shù)被譽為“太陽能制氫的終極方案”。與傳統(tǒng)電解水制氫依賴電網(wǎng)電力不同，PEC系統(tǒng)直接利用太陽光驅(qū)動水分解反應(yīng)，將間歇性太陽能轉(zhuǎn)化為可儲存的氫能，兼具環(huán)保性、靈活性與資源普適性。然而光生空穴在價帶中受到原子核的強束縛力，其本征遷移率遠(yuǎn)低于比電子，這種空穴-電子遷移率失配導(dǎo)致光生載流子的快速復(fù)合，嚴(yán)重限制了PEC水分解制氫性能。

有鑒于此，我校王君博士、廖婉茹博士與中南大學(xué)劉敏教授、德國慕尼黑大學(xué)Emiliano Cortés教授等合作，開發(fā)了一種具有普適性的金屬空位工程策略，通過在過渡金屬氧化物半導(dǎo)體（WO₃、TiO₂、Bi₂O₃）中構(gòu)筑金屬空位，調(diào)節(jié)半導(dǎo)體價帶譜結(jié)構(gòu)，降低空穴有效質(zhì)量以改善本征空穴遷移率。SCLC與Hall效應(yīng)測試協(xié)同證明了金屬空位對空穴遷移率的強化作用，V_w-WO₃、V_Ti-TiO₂、V_Bi-Bi₂O₃的空穴遷移率分別提升4.3、3.5及2.7倍，光生載流子的分離效率＞90%，光電流密度達(dá)到4.8 mA cm^-2，實現(xiàn)了120 h的高效、穩(wěn)定PEC水分解制氫。

電子-空穴對的高效分離是光驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)（如水分解、CO?還原、氮還原等）實現(xiàn)高選擇性與能量效率的關(guān)鍵前提。本研究提出“金屬空位調(diào)控空穴遷移率”策略，通過原子尺度缺陷重塑載流子傳輸動力學(xué)，有望為下一代光電器件及高效能源轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計提供普適性解決方案。

論文信息：Wang, J., Liu, K., Liao, W. et al. Metal vacancies in semiconductor oxides enhance hole mobility for efficient photoelectrochemical water splitting. Nat. Catal. (2025). https://doi.org/10.1038/s41929-025-01300-1

（文 圖/王君  一審/謝樹芳   二審/卿志和  三審/胡林）