光电化学(PEC)水分解为将间歇性太阳能以氢的形式储存提供了一种有前景的途径。值得注意的是，由于最佳的HER动力学，PEC光阴极在酸性条件下表现出优异的性能。然而，由于OER动力学缓慢，酸性条件下的光阳极在运行过程中需要显著的正偏压，并且由于高腐蚀性条件而出现稳定性问题。光阳极和光阴极之间这种明显的性能失配严重阻碍了完整PEC器件的整体效率。因此，开发能够在酸性条件下工作的高性能光阳极至关重要。
近年来，半导体上合理改性的共催化剂被广泛报道，以提高光电极的性能。共催化剂可以为水氧化提供额外的活性位点，加速表面反应动力学，从而有效地消耗光生空穴，不仅提高水氧化效率，还能减轻半导体的光腐蚀。因此，构建具有电催化剂-半导体耦合效应的集成光电极至关重要，以在酸性条件下追求高效稳定的PEC反应。
近日，中国科学技术大学孙海定课题组将氧化钌钴(CoRuOx)电催化剂锚定在InGaN纳米线阵列上(CoRuOx/InGaN)，该阵列作为一种集成光电极，在酸性条件下表现出优异的水氧化性能。
实验结果表明，在AM 1.5G和1.23 VRHE条件下，CoRuOx/InGaN光电极的光电流密度达到8.8 mA cm-2，分别是InGaN和RuO2/InGaN光电极的10.2倍和2.2倍。此外，CoRuOx/InGaN光电极在酸性OER过程中表现出良好的稳定性，能够持续运行超过500分钟，且稳定性测试后材料的形貌和结构未发生明显变化。
系统的表征和理论计算结果表明，Co的引入增强了共催化剂与InGaN纳米线之间的电子相互作用，加速了界面电荷传递。更重要的是，Co动态调节了Ru的电子结构，自适应地提高光电极的活性和稳定性。具体而言，在初始阶段，Co增加了相邻Ru原子的初始氧化状态，促进了Ru位点的活化，优化了氧中间体的吸附能，从而加速了表面OER的动力学。
此外，在PEC水氧化作用下，Co进一步稳定了Ru位点的氧化态，防止Ru位点的过度氧化，维持了CoRuOx的结构稳定性，增强了光电极的稳定性。总的来说，采用杂原子掺杂策略构建高效稳定的OER催化剂，同时与半导体集成并保持强界面耦合，为开发高性能酸性水氧化光电极提供了新途径。
Highly coupled dynamically modulated electrocatalysts on wafer-scale InGaN/GaN nanowires on silicon for successive acidic photoelectrochemical water oxidation. Advanced Materials, 2025. DOI: 10.1002/adma.202501218
孙海定，博士，现任中国科大微电子学院教授，博士生导师，iGaN Laboratory实验室负责人。先后入选国家优青，省杰青，中科院海外高层次人才计划。本科和硕士毕业于华中科技大学，师从刘胜院士。博士毕业于美国波士顿大学，师从氮化物半导体分子束外延奠基人Theodore D. Moustakas教授。长期致力于宽禁带III族氮化物(GaN等)和III族氧化物(Ga2O3等)化合物半导体材料MOCVD和MBE外延、光电器件和电力电子功率器件设计与制备研究。同时开展包括低维材料与器件，二维/三维新型半导体异质结的材料生长、载流子输运特性、光电集成器件与系统研究。近年来，共发表SCI论文160余篇，ESI高被引论文15篇，Google引用6200+。