ナノ材料の金属空孔が太陽水素技術を向上 (Nanomaterials: The Power of Absence)

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2025-03-11 ミュンヘン大学 (LMU)

ミュンヘン大学(LMU)のエミリアーノ・コルテス教授と中国の中南大学(CSU)の劉敏教授が率いる国際研究チームは、金属酸化物内の微小な金属欠陥が太陽光を利用した水の分解による水素生成技術を大幅に向上させることを発見しました。 金属酸化物は半導体特性と光吸収特性を持ち、光電気化学的な水分解において有望な材料とされています。しかし、これまでの課題は、光によって励起された電子と正孔が迅速に再結合し、効率が低下することでした。研究チームは、酸素欠陥ではなく金属欠陥を意図的に導入することで、正孔の移動度を高め、再結合の可能性を減少させる戦略を採用しました。例えば、タングステン酸化物において、金属欠陥の導入により正孔の移動度が430%向上し、電子-正孔対の寿命が5ナノ秒から12ナノ秒に延長されました。この延長は、光電気化学的反応において材料の効率を大幅に改善するのに十分であり、材料全体の安定性も向上しました。この戦略は、金属酸化物の本質的な低い正孔移動度を改善する普遍的なアプローチであり、迅速な電荷分離に基づく水分解デバイスの開発に貴重な指針を提供します。

<関連情報>

半導体酸化物中の金属空孔は、効率的な光電気化学的水分解のための正孔移動度を高める Metal vacancies in semiconductor oxides enhance hole mobility for efficient photoelectrochemical water splitting

Jun Wang,Kang Liu,Wanru Liao,Yicui Kang,Hanrui Xiao,Yingkang Chen,Qiyou Wang,Tao Luo,Jiawei Chen,Hongmei Li,Ting-Shan Chan,Shanyong Chen,Evangelina Pensa,Liyuan Chai,Fangyang Liu,Liangxing Jiang,Changxu Liu,Junwei Fu,Emiliano Cortés & Min Liu
Nature Catalysis  Published:25 February 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41929-025-01300-1

ナノ材料の金属空孔が太陽水素技術を向上 (Nanomaterials: The Power of Absence)

Abstract

Achieving efficient carrier separation in transition-metal-oxide semiconductors is crucial for their applications in optoelectronic and catalytic devices. However, the substantial disparity in mobility between holes and electrons heavily limits device performance. Here we develop a general strategy for enhancing hole mobility via reducing their effective mass through metal vacancy (VM) management. The introduction of VM yields remarkable improvements in hole mobility: 430% for WO3, 350% for TiO2 and 270% for Bi2O3. To illustrate the importance of this finding, we applied the VM concept to photoelectrochemical water splitting, where efficient carrier separation is highly coveted. In particular, VM-WO3 achieves a 4.4-fold enhancement in photo-to-current efficiency, yielding a performance of 4.8 mA cm−2 for both small- and large-scale photoelectrodes with exceptional stability for over 120 h.

1700応用理学一般
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