界面驱动的能量无关电荷抽提在氮化镓光催化剂中的实现

把阳光变成燃料

理论上，阳光可以驱动制备清洁燃料（如氢气），但现有材料会浪费大量被激发出的电子。本文研究了一种有前景的半导体——氮化镓（GaN），并展示了在其表面点缀微小铂（Pt）岛能够为电子创造一种“快车道”。通过更高效地引导电荷并防止其被缺陷捕获，研究者显著提升了 GaN 将光能转化为化学能的效率。

为何氮化镓重要

GaN 在电子学和 LED 照明领域已广为人知，同时在太阳驱动化学中也很有吸引力：其电子结构可以驱动诸如分解水、还原二氧化碳或从氨中制取氢气等高能反应。挑战在于，当阳光照射 GaN 时，被激发的电子和空穴会迅速失去多余能量，并且常在表面或近表面的微观缺陷处陷落，远在它们能驱动化学反应之前就被耗散。只有那些在合适时间内保持足够能量并到达正确表面位点的电荷，才能参与产氢。因此，理解光吸收后头几万亿分之一秒内电子如何移动与耗散能量，对设计更好的光催化剂至关重要。

用极慢动作观察电子

为了追踪这些超快事件，团队使用了时域分辨双光子光电子能谱，这项技术像一台用于电子的超快相机。短激光脉冲首先在 GaN 内部激发电子；第二道脉冲则将其中一些电子打出材料，以便测量它们的能量和到达时间。通过改变两脉冲之间的延迟并调谐其波长，研究者构建出了电子能量景观如何随时间在裸 GaN 表面与被 Pt 纳米岛修饰的 GaN 表面演化的“影片”。这使他们能够区分晶体体内、缺陷处与金属—半导体界面发生的过程。

铂如何改变电子通道

在干净的 GaN 上，激发电子会迅速下滑到导带边缘，随后被许多与缺失氮原子或位置错置的镁掺杂体相关的缺陷态俘获。这些陷阱在小于一万亿分之一秒的时间尺度内捕获电子，并将其长期滞留，实际上将它们从有用的化学过程移除，同时扰乱表面的电场。当表面被超薄的 Pt 岛覆盖时，这种行为发生了显著变化。长期存在的缺陷信号几乎消失，取而代之的是在大约 50 飞秒时间尺度内，能量各异的电子被观测到转移到 Pt 中，且几乎不依赖于其初始能量。换言之，Pt 为电子提供了一条非常快速且几乎不区分能量的逃逸通道，使它们在被缺陷捕获之前被抽走。

从晶体深处抽取电子

除了简单捕获表面电子外，Pt 还影响电子从 GaN 内部流向表面的方式。测量结果显示存在一个较慢的分量，被归因于电子在几万亿分之一秒量级上从体相弥散到被 Pt 覆盖的表面的过程。由于 Pt 可以快速移除到达表面的电子，它有助于防止表面电荷堆积。这一点与光照引起的表面电压变化（称为表面光电压）一起，会暂时抹平表面附近能带的弯曲。其结果是电子更容易从晶体深处迁移到表面，相比裸 GaN，可用于反应的有用电荷量大约增加了半数。

从超快物理学到更好的制氢

为将这些微观动力学与实际性能联系起来，作者把 Pt 覆盖的 GaN 用作光阴极，在中性盐溶液中驱动水的制氢反应。与裸 GaN 相比，Pt/GaN 电极在更有利的电压下即可开启产氢，产生约 6.6 倍更高的光电流，并保持稳定运行，几乎所有光生电子最终都以氢气的形式释放。对非专业读者而言，关键信息是：精心设计半导体与金属助催化剂之间的界面，不仅仅是掩盖缺陷——它重塑了电子在光吸收后的最初瞬间如何以及多快地运动与耗散能量，而这反过来决定了阳光被转化为化学燃料的效率。

引用: Gao, Y., Xie, Y., Höhn, C. et al. Interface-driven energy-independent charge extraction in GaN photocatalysts. Nat Commun 17, 1853 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69683-8

关键词: 氮化镓, 光催化, 超快光谱学, 制氢, 金属-半导体界面