我校化學化工學院曹陽教授與程俊教授合作在原子層厚度的硒化銦/石墨烯異質結構光陽極材料研究方面取得進展，相關成果以「Atomicallythin photoanode of InSe/graphene heterostructure」為題發表於Nature Communications（DOI：10.1038/s41467-020-20341-7）。
很多物理和化學過程都發生在固體電極與溶液的表界面處，因而表面處離子的吸附、聚集及其在表面的反應都對整個反應過程起到至關重要的作用。然而使用傳統的固體電極通常表現出的是體相和表面的複合性質，使得單純研究電極材料表面效應及表面離子的動力學還存在挑戰。二維材料由於其具有單原子層的厚度，晶體中所有原子都處在表面，因而可以作為一種理想的模型體系來僅針對此類表面現象進行研究。
課題組選擇光電化學池（PEC）分解水反應中的決速步驟氧析出半反應（OER）以作為研究表面離子行為的探針反應。光電極選擇同時具有高遷移率、匹配的能級結構以及被抑制的光生電子-空穴複合的單層的二維硒化銦（InSe）材料。並且在手套箱提供的惰性氣氛中用單層石墨烯對InSe進行封裝，保證了光電極測試條件下長時間的穩定性。該單層InSe/Gr光陽極最大光電流密度可以達到大10 mA cm-2，遠高於通常的二維材料光電極。通過對表面離子吸附和反應性能的理論模擬及相關測試，課題組將這種高的光電流密度主要歸因為InSe/Gr表面氫氧根離子（OH-）和光生空穴的富集及強相互作用。該工作揭示了二維異質結表面性質與反應活性的內在聯繫，希望能為研究電極表面離子效應提供新的材料平臺。後續通過選擇具有合適表面性能的二維材料，並與傳統光電極材料結合，有望發展新型的高性能光陽極材料。這一研究工作的實驗部分是在化學化工學院曹陽教授指導下完成，博士生鄭海紅、魯藝珍與廣東工業大學輕工化工學院葉凱航博士為論文的共同第一作者。理論計算部分在程俊教授的指導下，由博士生胡晉媛完成。該工作得到了國家重點研究計劃（2018YFA0306900、2018YFA0209500），國家自然科學基金（21872114）、中國博士後科學基金（2020M682616）的支持。
論文連結：https://doi.org/10.1038/s41467-020-20341-7
圖文 | 化學化工學院
編輯 | 科技處