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引言：

光电催化分解水是实现太阳能转化为化学能的关键技术，其中水氧化反应（OER）因四电子转移过程的高能垒，成为制约整体效率的瓶颈。硅（Si）基光阳极因其窄带隙（1.12 eV）、长载流子扩散长度（大于100 μm）及低成本优势，被视为理想候选材料。然而，Si基光阳极面临两大核心问题：一是光生电子-空穴对易复合（寿命＜10 ns），导致量子效率不足1%；二是中性电解液中低浓度OH⁻的扩散限制，使得表面反应动力学缓慢。本研究通过两步电沉积法，在n-Si表面构建聚（3,4-亚乙二氧噻吩）（PEDOT）空穴传输层与Co₃O₄纳米片垂直阵列层的双层复合结构，显著提升了光电催化析氧性能，为高效Si基光阳极的规模化应用提供了新策略。文章基于武汉科技大学赵雷教授团队研究成果及国家自然科学基金、湖北省重点科研计划、湖北省自然科学基金、武汉市知识创新工程等项目资助。

（1）Si基光阳极的挑战

载流子复合严重：Si的高载流子浓度（大于10¹⁷ cm⁻³）导致光生空穴易与电子复合，实际光电流密度（小于10 mA/cm²）远低于理论值（约40 mA/cm²）；表面反应动力学缓慢：中性电解液（如pH值=7的磷酸盐缓冲液）中，OH⁻浓度仅0.1 mol/L，水氧化反应速率常数低（小于10⁻⁴ cm/s）；稳定性问题：Si在碱性电解液中易被腐蚀（腐蚀速率＞1 nm/min），中性条件下虽稳定但活性位点不足。

（2）现有改性策略的局限

传统方法通过沉积CuSCN、NiOx等空穴传输层，虽能提升空穴提取效率（至20%～30%），但无法解决表面反应动力学瓶颈。Co₃O₄因高OER活性（过电位＜300 mV）被广泛研究，但其导电性差（电导率＜10⁻⁶ S/cm）限制了电荷传输效率。

（1）双层复合结构设计

PEDOT空穴传输层：通过电沉积在Si表面形成厚度可控（20～50 nm）的PEDOT层，其与Si的能带匹配（导带差0.3 eV）形成内建电场，空穴提取效率提升至75%；

Co₃O₄纳米片垂直阵列：在PEDOT层上原位生长Co₃O₄纳米片（片厚10～20 nm，密度＞50片/μm²），暴露大量（110）晶面活性位点，OER活性位点密度达1.2×10¹⁵ cm⁻²。

（2）光电催化性能突破

析氧速率提升：中性溶液（0.1 mol/L PBS）中析氧速率达23.4 μmol/(cm²·h)，较原始Si电极（7.8 μmol/(cm²·h)）提升3倍；光电流密度增强：在AM 1.5 G光照下，光电流密度达18.2 mA/cm²（原始Si为3.5 mA/cm²），光电转换效率（IPCE）在420 nm处达65%；电荷传输优化：PEDOT层将空穴迁移率提升至0.5 cm²/Vs（Si基底为0.1 cm²/Vs），Co₃O₄层降低OER反应能垒至240 mV（传统催化剂为300 mV）。

（3）稳定性与制备优势

长期稳定性：连续光照100 h后，析氧速率衰减小于10%，远优于传统Co₃O₄电极（衰减大于50%）；工艺兼容性：电沉积法可在低温（小于50 ℃）下进行，与Si微加工工艺兼容，适合大规模生产（单次沉积面积＞10 cm²）。

图1 Si、Si-PEDOT、Si-Co₃O₄和Si-PEDOT-Co₃O₄的 (a)拉曼光谱，(b) XRD图谱 

Fig.1 (a) Raman spectra,(b) XRD patterns of Si,Si-PEDOT,Si-Co₃O₄ and Si-PEDOT-Co₃O₄

图2 (a)Si-P_20s和(b)Si-P_20s-Co_30s光阳极的表面SEM图片，(c)Si-P_20s、(d)Si-P_20s-Co_300s、(e)Si-P_60s-Co_30s和(f) Si-P_20s-Co_30s的截面SEM照片

Fig.2 SEM surface images of (a) Si-P_20s and (b) Si-P_20s-Co_30s, SEM section images of (c) Si-P_20s,(d) Si-P_20s-Co_300s, (e)Si-P_60s-Co_30s and(f) Si-P_20s-Co_30s

图3 Si-P_20s-Co_30s的 HRTEM 图像（a）（b）和EDS能谱（c）-（f）

Fig.3 （a）（b）The HRTEM images and （c）-（f）the EDS of Si-P_20s-Co_30s

图4 Si光阳极的（a）PEC 水分解性能曲线，（b）循环稳定性测试

Fig.4 (a)PEC water decomposition performance curve, (b) cyclic stability testing

图6 光阳极的(a)紫外可见漫反射光谱，(b) 太阳光谱和样品的理论光电流， (c) 表面（η_surface)和 (d) 体相（η_bulk） 的电荷利用效率

Fig.6 (a) UV-visible diffuse reflectance spectroscopy ,(b) the solar spectrum and theoretical photocurrent calculations of samples,charge separation efficiency, the solar spectrum and theoretical photocurrent calculations of samples,charge separation efficiency (c) on the surface (η_surface) and (d) in the bulk (η_bulk)

图9 Si-PEDOT-Co₃O₄增强光电催化水分解示意图

Fig.9 Schematic diagram of double-layer photoanode enhanced photoelectrocatalytic water decomposition 

本研究通过两步电沉积法成功构建了Si-PEDOT-Co₃O₄双层复合光阳极，其中PEDOT层有效提取光生空穴并抑制载流子复合，Co₃O₄纳米片垂直阵列显著提升了表面反应动力学。中性溶液中析氧速率达23.4 μmol/（cm²·h），光电流密度提升5倍，且表现出优异的光稳定性（100 h衰减小于10%）。该设计为解决Si基光阳极的电荷分离与表面反应矛盾提供了新思路，其低成本的制备工艺有望推动光电催化分解水的商业化应用。

文章发表于《功能材料》2025年第56卷第8期，欢迎引用本文：    

杨晓宇,何漩,赵雷,等.双层复合Si-PEDOT-Co₃O₄光阳极的制备及其光电催化解水性能研究[J].功能材料,2025,56(8):08087-08095.

Yang X Y,He X,Zhao L,et al.Preparation of bilayer composite Si-PEDOT-Co₃O₄ photoanode and its photoelectrocatalytic water splitting properties[J].Journal of Functional Materials, 2025,56(8):08087-08095.