APL|湖南大学黄维清、黄桂芳教授团队：面外极化优化光催化水解反应的激子解离与产氢效率

光催化水解产氢作为极具前景的清洁能源制备途径，其发展长期受制于激子解离困难和产氢效率低下的瓶颈。为解决这个难题，作者揭示了二维Janus材料的面外极化效应在突破这些限制的关键作用。基于1H相CrXY (X, Y = S, Se, Te)单层材料的本征偶极与面外极化，通过泊松效应诱导了电荷的面外重分布，从而实现了全pH范围内光催化水分解的带边位置优化。进一步堆叠这些单层形成同质结，不仅继承了优化的水解电位，还通过自发形成II型能带排列实现了载流子的空间分离，而且偶极诱导的内建电场进一步驱动电子和空穴载流子反向迁移参与半反应，协同提升了激子解离效率。更重要的是，面外极化效应突破了传统光催化剂1.23 eV的带隙下限，使光吸收能力和太阳能-氢能转化（STH）效率大幅提升。数据显示，CrSSe和CrSeTe同质结在pH=0时分别达到38.1%和34.3%的STH效率，2.5%压缩应变下的CrSeTe同质结在pH=7-11范围内维持37%的STH效率，远超非极化结构的理想效率上限17.1%。

图1 光催化水解示意图与CrXY的面外极化

光催化水解电位随pH变化而不同，导致传统的光催化剂难以在宽pH范围保持高效活性。而且，其不仅缺乏载流子驱动力，使激子解离困难；还要求带隙至少在1.23eV以上，限制了光吸收能力与STH效率。二维Janus材料的面外极化效应带来的内建电场可以驱动载流子反向迁移，引起的两侧真空能级差能够降低带隙上限至1.23-ΔV，为解决上述瓶颈问题提供了全新的视角。1H相CrXY (X, Y = S, Se, Te)材料中的Janus单层具有显著的本征偶极与面外压电，是研究这一问题的理想材料平台。

图2 CrXY的带边位置与水解过电位

分析了对称CrXY的带边位置，发现其中对称材料都不能实现光催化全水解。然而，当考虑到Janus材料面外极化导致的两侧不同真空能级时，由于X原子侧具有更高的功函数，Y原子侧具有更低的电子亲和能，带边位置能够分别满足析氧和析氢反应电位。值得注意的是，CrSeTe和CrSTe的带隙分别为1.1 eV和0.7eV，都低于光催化应用所需的最小光学带隙1.23 eV。

图3基于泊松效应调节CrXY的水解过电位

为了进一步打破光催化水解的pH依赖性，提出基于泊松效应通过施加面内双轴应变改变层厚，进而导致面外压电电荷重分布。这能导致Janus材料面外偶极及其两侧真空能级差的线性变化，使水解电位得到进一步的调节。值得注意的是，当对CrSeTe和CrSTe材料施加的压缩应变分别达到1.5%和2.5%时，两种材料能够在任意pH条件下实现全水解。

图4 Janus同质结的光催化水解性能

堆叠这些单层形成同质结不仅继承了其优化的水解过电位，面外极化导致的阶梯式电势还能使其自发形成II型能带排列，从而有效分离光生载流子。而且，面外极化效应还进一步将带隙下限降低至1.23-2ΔV。CrSSe和CrSeTe同质结的带隙分别降低至0.61、0.38eV，2.5%压缩应变下的CrSeTe同质结带隙降低至0.48eV，这显著提升了光催化剂的光吸收能力，增加了光激子浓度。

图5 Janus同质结光催化剂的电场力与STH效率

进一步探究这些同质结的本征偶极，发现其等效电场力能够驱动分离的电子与空穴载流子反向迁移，分别参与析氢和析氧反应。这与其特殊的能带排列方式协同促进了激子解离，大大提升了激子利用率。另外，由于带隙的显著降低，这些单层与同质结都达到了较高的STH效率。特别地，CrSSe和CrSeTe同质结在pH=0时分别达到38.1%和34.3%的转化效率，2.5%压缩应变下的CrSeTe同质结在pH=7-11范围内维持37%的转化效率，远超非极化结构的理想效率上限17.1%。

相关成果“Out-of-plane polarization engineering: optimizing exciton dissociation and solar-to-hydrogen efficiency in photocatalytic water splitting”以重点推荐文章（Featured Article）形式发表于《Applied Physics Letters》，并受到美国物理联合会科学之光(AIP Scilight)的专访报道。该成果由湖南大学李磊为第一作者，黄维清教授、黄桂芳教授为论文共同通讯作者。这项工作为工业制氢提供了全新的思路。

团队介绍

黄维清，湖南大学 物理与微电子科学学院 教授，博士生导师，湖南大学“岳麓学者”。主持或主研国家自然科学基金项目、湖南省自然科学基金项目、湖南省科技计划项目等课题十余项。已在Adv. Mater., Nano Lett.，ACS Nano，Adv. Funct. Mater.，Adv. Energy Mater.， Appl. Catal. B: Environ.，Phys. Rev. B，APL等杂志发表论文280余篇，SCI引用8000余次，H 因子 49。主要研究方向为计算凝聚态物理、清洁能源材料物理及器件、微纳结构光电功能材料物理及清洁能源和绿色环境材料。

黄桂芳，湖南大学 物理与微电子科学学院 教授，博士生导师。博士、教授、博士生导师。主持或主研国家自然科学基金项目、湖南省自然科学基金项目、湖南省科技计划项目等课题十余项。已在Adv. Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.，Appl. Catal. B: Environ.和Electrochim Acta 等学术杂志上发表论文100多篇；获批国际专利一项，发明专利两项，实用新型专利两项，起草国家标准两项、机械行业标准两项。

文章信息

Out-of-plane polarization engineering: Optimizing exciton dissociation and solar-to-hydrogen efficiency in photocatalytic water splitting

Lei Li, Zi-Xuan Yang, Tao Huang, Hui Wan, Jianhang Nie, Gui-Fang Huang, Wangyu Hu, Wei-Qing Huang

Appl. Phys. Lett. 126, 183903 (2025)

https://doi.org/10.1063/5.0267520

Scilight专访报道

Breakthrough in green hydrogen energy production found in Janus materials

Mara Johnson-Groh

Scilight 2025, 191101 (2025)

https://doi.org/10.1063/10.0036743