基于半导体材料的光电化学水氧化(PEC)在清洁燃料和增值化学品的生产中发挥着重要作用。纳米结构-界面工程已被证明是构建具有良好光捕获、载流子传输和水氧化动力学特性的高效PEC水氧化光阳极的有效途径。然而，从理论和应用的角度来看，光电阳极材料的纳米结构和界面与光电阳极性能之间的关系尚不清楚

有鉴于此，悉尼大学黄俊教授、郑荣坤和大连理工大学张振宇教授等人，简要介绍了PEC水氧化反应的机理和评价标准。总结和讨论了构建高性能PEC水氧化光阳极的纳米结构-界面工程的理论基础和研究现状。最后，指出了PEC反应的纳米结构-界面工程的当前挑战和未来机遇。

本文要点

1）本讨论了纳米结构-界面工程对构建高性能光电阳极的重要性，并论证了其对多步PEC水氧化过程的影响。从已有的研究成果中总结了纳米结构-界面工程的作用。

2）然而，在未来，对纳米结构/界面效应在PEC水氧化反应过程中的深入理解仍然是需要的。a)到目前为止，对界面载流子输运机理的初步认识已经通过时间分辨光谱、XPS等手段进行了研究。将来，有必要进一步提高对半导体激发/载流子传输注入模型的理解。先进的原位表征方法对于半导体光电阳极模型的建立非常重要。尽管有很多原位表征方法，如原位红外、原位拉曼、原位XRD，甚至原位TEM，但是如何重建配备有光源和偏置电势的原位检测器仍然需要大量的研究。b)从纳米结构-界面工程的角度构建新型半导体光电阳极系统是实现高效率PEC性能的首要挑战。在光伏领域，出现了许多具有优异功率转换性能的有前途的材料，如黑磷、有机-无机杂化钙钛矿、全无机钙钛矿材料、和MXenes。研究这些材料是否也可以用于PEC反应中非常重要。然而，光伏与PEC器件之间存在着巨大的差距。许多问题需要解决，例如这些新型材料的水/PEC稳定性和催化反应机理。未来，高产，低成本，高效的光电极材料的开发对于光电催化反应系统的实际应用具有重要意义。c)现阶段，作为PEC H₂/CO₂/N₂还原反应的逆反应产物，产生的O₂几乎被浪费掉了。如何更好地利用PEC氧化反应是非常重要的。例如，通过PEC反应生产生物质可能是一个更好的选择。

参考文献：

Rui Tang et al. Engineering Nanostructure–Interface of Photoanode Materials Toward Photoelectrochemical Water Oxidation. Advanced Materials, 2021.

DOI: 10.1002/adma.202005389

https://doi.org/10.1002/adma.202005389