摘要
光电化学水裂解法生产氢燃料的报道早在50年前就有了1然而，人工光合作用还没有成为一项广泛应用的技术。尽管平面硅太阳能电池已经成为一种无处不在的电能来源，在经济上与化石燃料竞争，类似的PEC器件还没有实现，标准的Si p型/n型(p-n)结不能用于劈水，因为带隙阻碍了所需的光电压的产生。另一种模式，粒子悬浮反应器(PSR)，放弃了刚性设计，而倾向于将单个PEC粒子悬浮在溶液中，与平面系统相比，这是一种潜在的低成本选择2，3.．在这里，我们报道了硅基PSRs通过合成高光电压多结硅纳米线(SiNWs)协同功能化催化裂解水。通过在单个SiNWs中编码p型-本征- n型(p-i-n)超晶格，在1个太阳光照下观察到超过10 V的可调光伏。析氧和析氢共催化剂的空间选择性光电沉积使水在大约1050 nm的红外波长下裂解，亚波长直径sinw的光子特性决定了制氢的效率和光谱依赖性。尽管初始能量转换效率很低，但多结sinw为PSR设计带来了可调谐的中尺度几何结构的光子优势和si的材料优势(包括小带隙和规模经济)，为水分解反应堆提供了一种新方法。
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致谢
本研究由美国国家科学基金会(NSF)资助。CBET-1914711，由美国能源部、科学办公室、基础能源科学办公室资助的能源前沿研究中心，太阳能燃料分子光电极设计联盟支持的基础工作。DE-SC0001011。器件制造和电子显微镜成像和分析部分在教堂山分析和纳米制造实验室进行，该实验室是北卡罗来纳州研究三角纳米技术网络的成员，由NSF (ECCS-2025064)支持，作为国家纳米技术协调基础设施的一部分。我们感谢北卡罗来纳大学教堂山分校的研究计算小组为光学模拟提供计算资源。E.T.R.和J.M.A.感谢NSF在CHE-1848278奖下对s-SNOM表征的支持。HRTEM和STEM-EDS测量部分是在范德比尔特纳米科学与工程研究所进行的。D.J.H.和S.R.L.承认国家科学基金会的个别研究生研究奖学金。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
t.s.t.、d.j.h.、s.r.l.、s.r.b.、S.E.M.和J.P.C.公司合成电线并制造电子器件。t.s.t.， d.j.h.， S.K.和j.s.p.进行了SiNW光学模拟。T.S.T.和A.D.T.设计并执行了PSR实验。E.T.R.和J.M.A.进行了s-SNOM测量。J.R.M.收集了功能化导线的STEM-EDS光谱和元素图。T.S.T.和J.F.C.根据所有作者的意见撰写了手稿。J.F.C.获得了资金，对研究的各个方面进行了概念化和监督。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
同行评审
同行评审信息
自然感谢Paul Maggard和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
图1氢气退火对PV性能的影响。
一个，电流-电压曲线为N= 5n-我-pSiNW光伏设备与退火(橙色)和没有退火(青色)下1个太阳照明。b，我SC为N= 5和10n-我-p有退火(橙色)和没有退火(青色)的PV器件。
图2单N= 10n-我-pSiNW光伏装置在多太阳照射下。
一个,电流-电压a曲线N在1.3个太阳(红色)、2.5个太阳(橙色)、4.3个太阳(青色)、7.2个太阳(紫色)、9.4个太阳(绿色)和11.3个太阳(洋红色)光照下，SiNW = 10。b的依赖我SC(青色)和VOC(橙色)表示面板a中SiNW的照明强度。实线表示的线性拟合(青色)和对数拟合(橙色)我SC和VOC趋势,分别。c,黑暗电流-电压曲线(青色)的同一SiNW与理想二极管方程的拟合修改为包括R年代(黄色，虚线)，得到一个归一化理想因子(n/N)，我o,R年代分别为1.53,234 fA和36 GΩ。d， ln(我SC) vs。VOC从面板a-b显示的多太阳光照数据。虚线表示对理想二极管方程的拟合，产生一个归一化的理想因子和我o分别为1.27和51 fA。
扩展数据图4N= 15个SiNWs与Pt和CoO共功能化xco-catalysts。
一个，两个共功能化的SEM图像n-i-pSiNWs;比例尺，5 μm。插图:高倍率图像的虚线框区域显示n-type碱基与Pt(左)和p-type tips with CoOx(右);比例尺，200nm。Pt沉积仅在n型基的部分sinw，与CoO相比沉积量较小x沉积在p型基p-我-nSiNWs。b， pt功能化后的TEM图像n-型尖端p-我-n低倍镜(左)和高倍镜(右)下的SiNW，显示了沉积的铂纳米颗粒的多晶性质;比例尺，100纳米(左)和10纳米(右)。c、CoO TEM照片x功能化p-type相同的基p-我-n图b中低倍率(左)和高倍率(右)下的SiNW，显示了沉积CoO的无定形性质x；比例尺，200纳米(左)和10纳米(右)。
图5单个SiNW器件的光电化学响应。
a -b，斩波光电流密度(J=我/（D·l销) vs.时间N= 40个协同功能的sinwn型/Pt光电阴极端面暴露(面板a)和p类型/首席运营官x光阳极末端暴露(面板b)。测量在零点进行V应用程序在730(青色)，810(绿色)和940(红色)的照明下。面板a还显示了光电阴极在1050 nm照明(紫色)下的响应。c -d，在斩切445 nm LED照明下(阴影区域表示LED亮时)和零的pH值7水中PEC电池的双电极光电流测量V应用程序用于控制电极(Pd/SiOx/SU-8)与用于与sinw电接触的电极相同。面板a和c的测量使用Ir/IrOx线对电极和测量面板b和d使用Pt线对电极。
图6 SiNW的模拟吸收和计算光电流。
一个，模拟了一个长32 μm的SiNW的几何形状，将其划分为10个结，并用结指数进行标记j，其中照明角θ是相对于表面法线定义的。b，吸收功率谱为j在入射角度为0(红色)、30(黄色)、60(青色)和90°(紫色)的单太阳光照下= 5，证明了SiNW吸收的角度依赖性。插图:假设三维各向同性分布，每个可能的照明角度的相对概率。c，在入射角为0、30、60和90°时，550 nm处(面板b中的虚线)归一化轴向(左)和径向(右)吸收剖面。d，JSC假设AM1.5G太阳光谱和IQE是统一的，通过对每段内的光子吸收光谱进行适当积分来确定不同照明角度的每个结。端部散射效应倾向于增加第一个和最后一个结的吸收约10%，但中间结也表现出同样的效果JSC在~15%以内，即使照明与SiNW同轴。这与体积的预期光电流形成鲜明对比N= 10个具有相同结厚的太阳能电池板(黑点)，分析计算假设已知吸收系数，忽略表面反射。灰色虚线表示加权平均预期JSC假设sinw的三维各向同性分布。
扩展数据图7 PSRs在pH值为7的水和pH值为3的柠檬酸缓冲溶液中的产氢。
一个，产生的氢气总量N= 15 PSR在650 nm光照下的去离子水(pH值7)中持续数天。在取样过程中对除去氢的值进行校正。H2两天后的一代很可能是由于H的停止2生成与细胞漏出相结合。b的量子产额N= 40 PSR的柠檬酸缓冲溶液(pH值3)在不同波长的LED照明下。
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泰茨沃斯，t.s.，希尔，d.j.，利特文，S.R.et al。悬浮在溶液中的硅p-i-n超晶格的水裂解。自然614， 270-274(2023)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05549-5
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