自從1972年Fujishima和Honda首次報(bào)道利用TiO2電極在光電化學(xué)裝置中實(shí)現(xiàn)分解水產(chǎn)氫以來(lái)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為氫等化學(xué)燃料逐漸成為解決全球可持續(xù)能源挑戰(zhàn)的最可行方案。然而，由于轉(zhuǎn)換效率太低，到目前為止該方案仍然難以大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，通過(guò)合成獨(dú)特形貌的電極是從根本上提高光催化分解水效率的一種有效方法，這主要基于其結(jié)構(gòu)上（大小和形狀）的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。納米線作為一種典型的納米結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在各種半導(dǎo)體中成功制備出來(lái)，用以提高其光電化學(xué)性能。

Cu2O因具有良好的直接帶隙（2.1 eV），而成為一種極受關(guān)注的光能轉(zhuǎn)換材料。此外，與其他P型光電化學(xué)材料相比，銅含量豐富，制備成本低。為了提高Cu2O光電極的催化性能，各種具有高比表面積和短的載流子擴(kuò)散距離的納米結(jié)構(gòu)已被成功制備，包括納米棒、納米線、納米管、納米立方和納米球等。然而，超長(zhǎng)的Cu2O納米線陣列用于光電化學(xué)分解水，至今未有相關(guān)的研究報(bào)道。

最近，德國(guó)伊爾梅瑙工業(yè)大學(xué)的雷勇課題組聯(lián)合中科院半導(dǎo)體所王智杰課題組，采用一種操作方便、成本低廉的陽(yáng)極氧化鋁模板技術(shù)成功地合成了超長(zhǎng)Cu2O納米線陣列。

圖1.Cu2O納米線陣列的制備過(guò)程示意圖，金層的沉積（I）、鎳的電沉積（II）、鋁和阻擋層的去除（III）、Cu2O的生長(zhǎng)（IV）和模板的去除（V）。

如圖2所示，SEM圖像顯示Cu2O納米線陣列長(zhǎng)度可達(dá)4.5 μm。與基于Cu2O薄膜的光陰極相比，超長(zhǎng)Cu2O納米線陣列光陰極在-0.8 V（vs. Ag/AgCl）時(shí)的光電流從-1.00 mA/cm2增加到-2.75 mA/cm2（圖2b），光電流顯著增加。此外，通過(guò)在Cu2O納米線上利用原子層沉積技術(shù)沉積鉑來(lái)優(yōu)化器件，其光電流在-0.8 V（vs. Ag/AgCl）時(shí)可提高到-7.00 mA/cm2（圖2c），并且在410 nm時(shí)，電極的外量子產(chǎn)率（EQY）達(dá)到34%（圖2d）。

圖2.(a) 制備的Cu2O 納米線陣列的掃描電鏡圖 (插圖是其截面結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖), (b) Cu2O 納米線陣列電極和Cu2O薄膜電極的J-V特性曲線，沉積鉑后的Cu2O 納米線陣列電極的J-V特性曲線(c)和其外量子效率隨光波長(zhǎng)的變化(d)，插圖是沉積鉑前、后電極的阻抗譜。

為了闡明鉑納米顆粒增強(qiáng)Cu2O納米線陣列電極光電化學(xué)性能的機(jī)理，圖3給出了Cu2O納米線陣列/鉑光電極的示意圖和Cu2O/Pt/電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶圖。Cu2O/Pt/電解質(zhì)的能帶彎曲與光電化學(xué)電池中p-Si/Pt/電解質(zhì)接觸的能帶彎曲類似。被Cu2O納米線陣列吸收的光子可以激發(fā)產(chǎn)生少數(shù)載流子（電子），這些載流子可以遷移到光電極/電解質(zhì)的界面，在界面處與水分子發(fā)生反應(yīng)（從H3O+到H2）。作為光化學(xué)反應(yīng)（制氫）的電催化劑，鉑納米粒子能夠極大降低化學(xué)反應(yīng)電位并加速電子的遷移，從而提升電極在光化學(xué)反應(yīng)中的催化活性。

圖3.Cu2O納米線陣列/鉑光電極的示意圖(a)和Cu2O/Pt/電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶圖(b)

綜上所述，采用陽(yáng)極氧化鋁模板法成功制備了一種基于超長(zhǎng)Cu2O納米線陣列的新型光電陰極。與Cu2O薄膜的光電陰極相比，Cu2O納米線陣列光電陰極的光電流可從-1.00 mA/cm2顯著提高到-2.75 mA/cm2，這主要?dú)w因于納米結(jié)構(gòu)高比表面積、光捕獲和短載流子轉(zhuǎn)移的優(yōu)點(diǎn)。利用原子層沉積技術(shù)在Cu2O納米線陣列上沉積鉑納米顆粒，進(jìn)一步優(yōu)化了光電化學(xué)電極，使其光電流提高到了-7 mA/cm2。這項(xiàng)工作為光電化學(xué)電池提供了一種低成本、自然豐富的納米線材料。