近日，我校物理与光电工程学院“新型磁电功能材料与器件”团队在光电催化分解水制氢研究领域取得实质性进展。研究成果以“Directional Photogenerated Charge Transfer in Bi₂S₃/In_2.77S₄/In(OH)₃ Heterostructure for Solar Water Oxidation”为题，发表于国际材料科学领域顶级期刊《Advanced Functional Materials》（中国科学院一区TOP期刊，影响因子19.0），重庆师范大学为论文第一完成单位，物理与光电工程学院研究生彭波为第一作者，熊玉立副教授与新加坡国立大学陈瑞深教授为共同通讯作者。该研究通过精准调控界面化学键与内建电场，为开发高效、稳定的太阳能制氢技术提供了新策略。

在国家“双碳”战略背景下，开发清洁、可持续的氢能已成为能源转型的重中之重。光电化学（PEC）分解水技术利用太阳能直接驱动水分子裂解，是实现“绿氢”生产的理想途径。然而，传统光阳极材料普遍面临光生电荷复合率高、界面传输阻力大等瓶颈，制约了光电转换效率的进一步提升。

针对上述挑战，我校新型磁电功能材料与器件团队成功设计并构建了一种新型的 Bi₂S₃/In_2.77S₄/In(OH)₃三元级联异质结。该异质结巧妙地整合了不同半导体的优势：Bi₂S₃具备出色的宽光谱太阳光捕获能力，而In_2.77S₄/In(OH)₃则展现出优异的电荷传输特性。通过水热法制备的异质结，在界面处形成了关键的 ‌In-S-Bi化学键。X射线光电子能谱分析表明，Bi 4f轨道的结合能向低能方向移动了0.2 eV，证实了界面处存在强电子相互作用。由于Bi₂S₃的表面电势高于In_2.77S₄/In(OH)₃，两者接触时，自由电子自发从Bi₂S₃侧流向In_2.77S₄/In(OH)₃侧，导致界面处电荷重新分布，并形成了一个由表面电势差（高达102 mV）诱导的、由内向外的内建电场，该新型结构利用内建电场驱动电荷定向转移。密度泛函理论（DFT）计算进一步确认了该异质结为Ⅱ型能带排列，这为光生电子-空穴对的空间分离提供了有利的热力学驱动力。

研究数据表明，该异质结光阳极的光电流密度达到了‌5.4 mA cm⁻²，相比纯相Bi₂S₃提升了‌2.15倍。霍尔效应测试结果显示，异质结的电阻率（9.25 Ω cm）远低于纯相Bi₂S₃，证实了其低电阻特征能够显著增强电荷传输能力。

该工作展示了一种高性能光阳极材料的制备方案，同时其研究框架强调了通过对硫族元素化学态和界面结构的精准调控来揭示材料本征活性起源的重要性，这为未来设计更高性能的硫族化合物基光阳极提供了重要的理论支撑和实践路径。

Bi₂S₃/In_2.77S₄/In(OH)₃能带结构及光电催化分解水示意图

该研究得到了国家自然科学基金、重庆市自然科学基金及学校科研基金的资助。

论文链接： https://doi.org/10.1002/adfm.74694