在利用太阳能转化为氢燃料方面，将赤铁矿作为光电化学(PEC)分解水的光阳极具有极大潜力，然而，目前基于最先进的赤铁矿光电电极的太阳能制氢气的转换效率仍然远远低于实际制氢所需的值。

近日，韩国蔚山科学技术院Jae Sung Lee，中科院大连化物所王秀丽研究员报道了一种通过水热再生长策略和混合微波退火相结合的方法来形成梯度掺钽赤铁矿同质结纳米棒的核壳结构，它在提高光电流密度的同时降低了开启电压。

文章要点

1）研究人员首先用水热法原位合成了掺钽的FeOOH纳米棒（Ta：FeOOH），并优化了制备溶液中Ta的浓度以获得所需的纳米棒形貌。和最佳光电流施加电位（J-V）曲线。然后，通过水热再生长在合成的Ta：FeOOH纳米棒上形成了一层FeOOH薄层，并根据生长时间对其厚度进行了优化。最后，利用HMA将Ta：FeOOH@FeOOH转变为Ta：Fe₂O₃@Fe₂O₃核壳同质结纳米棒，以利用其独特的特性。

2）研究人员利用STEM进一步研究了Ta：Fe₂O₃@Fe₂O₃同质结纳米棒和Ta：Fe₂O₃的结构。HAADF-STEM图像清楚地显示了α-Fe₂O₃晶格中的Ta原子，有效证明了Ta在FeOOH中的原位掺杂。此外，在α-Fe₂O₃纳米棒的表面区附近出现了较多的Ta原子，这表明在高温下β-FeOOH纳米棒中重掺杂的Ta在α-Fe₂O₃相转变时可能会向表面迁移。此外， SAED显示了高结晶度的α-Fe₂O₃单晶的六方结构，这表明Ta原子的加入并没有改变赤铁矿晶格的固有晶体结构。此外，EELS图清楚地证明了核壳同质结的形成。同时，核壳界面区获得的HRSTEM图像显示了相同的完美晶格，没有观察到任何缺陷，表明同质结纳米棒中没有造成晶格失配。

3）研究发现，双功能效应源于同质结形成对表面态和本征内建电场的钝化。而磁场提供的附加驱动力可以有效地抑制赤铁矿体内和表面的载流子复合，特别是在较低电位时。此外，合成的同质结与NiFe(OH)_x助催化剂具有显著的协同效应，显著提高了光电流密度（J_ph）和开启电压（V_on）的阴极位移。

这项工作很好地展示了梯度掺杂、同质结形成和助催化剂修饰的多种协同策略，对于设计和构建太阳能转换领域高效的半导体光电极纳米结构具有重要意义。

Zhang, H., Li, D., Byun, W.J. et al. Gradient tantalum-doped hematite homojunction photoanode improves both photocurrents and turn-on voltage for solar water splitting. Nat Commun 11, 4622 (2020)

DOI：10.1038/s41467-020-18484-8

https://doi.org/10.1038/s41467-020-18484-8