具有多条隧穿通路的多层氧化物保护层，用于高效耐久的基于硅的光阴极

把受污染的水和阳光变成有用的燃料

水中日益严重的硝酸盐污染是一个日益凸显的问题，但这些硝酸盐离子也可以被转化为氨——氨是肥料和许多化学品的重要原料。本文介绍了一种基于硅的新型太阳能电极构建方式，该电极既能在强碱性腐蚀性液体中长期稳定工作，又能高效地将硝酸盐还原为氨。该研究解决了长期存在的性能与材料抗蚀性之间的冲突。

为什么硅需要“铠甲”

硅是现代电子学的主力材料，也是优良的光吸收体，这使其在太阳能驱动的化学反应中极具吸引力。在光电化学器件中，光照在硅上产生荷载子，这些荷载子驱动诸如分解水或将硝酸盐还原为氨等反应。问题在于硅在水中化学上很脆弱，尤其在强酸或强碱环境中未受保护的硅会迅速腐蚀。以往的保护方案依赖超薄金属或透明氧化物膜：薄膜允许电荷通过但易失效，而厚膜耐久但阻碍电荷传输，使工程师在效率与耐久性之间陷入两难。

具有多条捷径的分层护盾

为打破这一权衡，研究者设计了一种由重复纳米级别氧化物与金属层构成的新型保护“铠甲”。他们没有采用单层厚氧化物膜，而是将二氧化钛（氧化物）与铁（金属）交替堆叠，整体总厚度约为36纳米。通过调节这种氧化物/金属单元的重复次数，可以同时调整电荷传输的便利性和硅对液体的屏蔽程度。计算模拟和电学测量表明，当堆栈被划分为六个非常薄的氧化物/金属单元时，电子可以通过多条隧穿通路沿层间传输，且电阻出奇地低。这种设计既保持了足够的总屏障厚度以抵抗腐蚀，又通过多个量子“捷径”为电子打通通路。

构建并测试太阳能硝酸盐到氨的电极

团队随后将这一概念制成了可工作器件。他们以一片能高效捕光的纹理化硅片为基底，添加了一层薄碳以帮助传递电子，并涂覆了上述多层氧化物/金属保护堆栈。在表面沉积了一层薄的铁-铜合金以催化硝酸盐向氨的转化。将该光阴极置于含硝酸盐的强碱溶液并暴露于模拟阳光下时，它在接近氢气生成的热力学极限电位下产生了高电流。性能最优的版本正是具有六层重复单元的堆栈——它在更高的效率和更低的外加电压下产生了更多氨，而比具有更少或更多层的版本表现更好，验证了电阻存在的“最佳点”。

在速度、稳定性与通用性之间取得平衡

除了产量，本保护策略还改善了电荷在器件内的传输速度和清洁度。在光照下的电学测试显示，六层结构具有最低的内部电阻和光生电子到达催化剂表面的最快传输时间，从而减少了复合引起的能量损失。阻抗测量和表面电位映射显示表面存在更强的内建电场，有助于将电子拉向反应位点。同时，这种厚但精巧结构化的屏障在苛刻碱性条件下运行超过100小时仍能维持，只有缓慢且可测的材料损失。该概念同样表现出灵活性：用其它氧化物和金属（如氧化铈和钯）替换二氧化钛或铁，在将堆栈调至六个单元时仍能获得良好性能。

从更清洁的水到更出色的太阳能化学

通俗地说，这项工作展示了如何为敏感的硅器件提供一种坚固但不妨碍性能的保护外衣。通过将一层保护氧化物切分为许多由金属隔开的超薄层，研究者创造了多条电子的量子通路，同时保留了对腐蚀有利的整体厚度。结果是一个基于硅的光阴极，能够在阳光下高效地将硝酸盐污染转化为有用的氨，并具有足够的使用寿命以具实用意义。由于多层方法可以应用于不同的氧化物和金属，它为各种太阳能与电化学技术中耐久高性能涂层提供了通用蓝图。

引用: Zhou, Y., Cheng, Z., Lyu, Y. et al. Multilayer oxide protection layer with multiple tunnelling paths for efficient and durable Si-based photocathode. Nat Commun 17, 1871 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68665-0

关键词: 光电化学, 硅光阴极, 硝酸盐还原, 多层氧化物保护, 太阳能氨合成