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光电化学(PEC)水分解已经成为生产氢能的环境友善和可持续方法之一。研制具有优良催化活性和长期稳定性的光电极是实现高效和稳定PEC体系的关键。然而，对于那些由具有适当带隙的纯半导体(例如：Si、金属氧化物和III-V化合物)组成的光电极来说，它们往往容易受到光腐蚀和化学腐蚀。此外，这些固有的太阳光吸收半导体往往表现出缓慢的反应动力学，并严重依赖于负载助催化剂，以提高其催化活性。
因此，为了同时解决光电极的稳定性和活性问题，采用保护层和助催化剂的策略已被广泛应用于电化学电化学系统的建立。但是，由于在水环境中的自还原和溶解，这些保护层不能永久地保持在半导体上。并且，由半导体和助催化剂之间的弱相互作用引起的松散的助催化剂/半导体界面严重限制了PEC过程中光电极的寿命。
近日
，
中科大
孙海定
课题组报道了一种化学稳定的氮化镓(GaN)半导体纳米线阵列，其自发生长在Si载体上以产生GaN纳米线-Si晶片结构，在三维(1D/3D)的光电极上形成一维结构。通过选择性化学蚀刻步骤进一步裁剪GaN纳米线，以暴露内部GaN
活性面，然后在其表面锚定Au纳米粒子作为助催化剂。
所构建的Au/Facted-GaN/Si光阴极在AM 1.5 G辐照下具有0.52 V的高起始电位(V
on
)和10.36%的外加偏压光-电转化效率(ABPE)，并在高电流密度下稳定产氢800小时以上。
系统的表征和理论计算表明，Au/Facted-GaN/Si光阴极这种优越的电化学性能可以主要归因于在Au/GaN
界面上面诱导的强电子相互作用，形成强耦合重构GaN纳米线/Au异质界面，这不仅使得GaN
晶面为Au纳米粒子提供更大的吸附能，提供更强的锚定效应，防止Au纳米粒子在剧烈的PEC HER过程中脱离，同时调节了Au纳米粒子的电子结构，优化氢吸附能，实现丰富的高度活跃的界面区域。
综上，该项研究为改善氮化物半导体/助催化剂的界面提供了一个简单而有效的方法，为氮化物半导体随后广泛应用于各种人工光合作用反应奠定了基础，促进了经济和大规模人工光合作用的发展。
Enhanced solar hydrogen production via reconfigured semi-polar facet/cocatalyst heterointerfaces in GaN/Si photocathodes. Nature Communications, 2025. DOI: 10.1038/s41467-024-55743-4
孙海定
，博士，现任中国科大微电子学院特任教授，博士生导师，iGaN Laboratory实验室负责人。先后入选国家优青，省杰青，中科院海外高层次人才计划。本科和硕士毕业于华中科技大学，师从刘胜院士。博士毕业于美国波士顿大学，师从氮化物半导体分子束外延奠基人Theodore D. Moustakas教授。长期致力于宽禁带III族氮化物(GaN等)和III族氧化物(Ga
2
O
3
等)化合物半导体材料MOCVD和MBE外延、光电器件和电力电子功率器件(高电子迁移率晶体管HEMTs)设计与制备研究。同时开展包括低维材料与器件(纳米线，量子点)，二维/三维新型半导体异质结的材料生长、载流子输运特性、光电集成器件与系统研究。近年来在光电材料和器件领域重要期刊，如AFM、ACS Photonics、Optica、Nano Energy、IEEE Electron Device Lett.、Appl. Phys. Lett.、Opt. Express、Nanoscale等发表篇论文。
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