红外13.9%！物理所&松山湖实验室，新发Nature子刊：自旋分解使得相干等离子体金属/半导体异质结全光谱光催化

在光能转换领域，金属/半导体异质结对于高效利用光能至关重要。在传统研究中，贵金属（Au、Ag等）被广泛用于等离子体光催化，但其高昂的成本限制了实际应用。

近年来，过渡金属氮化物因其独特的光学性质和较低的工作函数，被视为Au和Ag的低成本替代品。此外，这些氮化物具有丰富的本征氧化物和氧氮化物，为设计新型异质结构提供了可能。

2025年7月14日，中国科学院物理研究所王文龙、白雪冬、松山湖材料实验室蔡乐娟在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Spinodal decomposition enables coherent plasmonic metal/semiconductor heterostructure for full spectrum photocatalysis》的科研论文，Lisha Lu、Muhua Sun为论文第一作者，王文龙、白雪冬、蔡乐娟为论文通讯作者。

在本文中，作者以等离子体氮化铪（HfN）作为模型系统，展示了旋转变分可以作为产生晶格相干金属/半导体异质结构的独特手段。原子分辨率电子显微镜成像提供了界面区域完整晶格相干的直接可视化，并具有精确控制的空间调制。

光捕获的HfN组分展现出覆盖可见光和近红外区域的宽带等离子体吸收，同时等离子体激发的热电子可以高效注入到相邻的Hf₂ON₂中穿过界面。

当与少量Pt共催化剂结合时，相干的HfN/Hf₂ON₂异质结构在可见光和近红外光照下实现了从甲醇分解高效产生H₂，分别在600 nm处达到27%和850 nm处达到13.9%的表观量子产率。

图1：HfN-Hf₂ON₂体系旋节分解示意图。(a) Hf-O-N三元相图。(b) Gibbs自由能图及相图。

图2：HfN和Hf₂ON₂结构表征。(a) 晶体结构。(b) XRD图谱。(c) HfN高分辨STEM图。(d) FFT图。(e) HfN原子模型。(f) HfN模拟STEM图。(g) Hf₂ON₂高分辨STEM图。(h) FFT图。(i) Hf₂ON₂原子模型。(j) Hf₂ON₂模拟STEM图。

图3：旋节分解过程及界面表征。(a) XRD图谱演变。(b) 详细XRD图谱变化。(c) 沿[110]方向的HfN/Hf₂ON₂界面STEM图及FFT图。(d) 逆FFT图。(e) GPA应变图。(f) 高分辨STEM图及模拟图。(g) 沿[111]方向的STEM图。(h) HfN区域FFT图。(i) Hf₂ON₂区域FFT图。(j) HfN区域放大STEM图及模拟图。(k) Hf₂ON₂区域放大STEM图及模拟图。

图4：HfN/Hf₂ON₂异质结构光学性质及界面电荷转移动力学。(a) UV-Vis-NIR吸收光谱。(b) 稳态光致发光光谱。(c) 时间分辨光致发光寿命曲线。(d) 时间分辨吸收光谱二维（2D）伪彩色图。(e) 650 nm激发下不同波长的TA动力学曲线。(f) 720 nm处的TA动力学曲线。(g) HfN/Hf₂ON₂异质结构中等离子体诱导热电子转移示意图。(h) HfN/Hf₂ON₂光电极在不同单色光照射下的光电流-时间曲线。

图5：HfN/Hf₂ON₂异质结构光催化甲醇分解制氢。(a) 不同Pt负载量下HfN/Hf₂ON₂的H₂生成速率。(b) 不同HfN/Hf₂ON₂比例的样品光催化性能。(c) 不同甲醇浓度下的H₂生成速率。(d)不同波长光照下的H₂生成速率。(e) 波长依赖的表观量子产率及吸收光谱。

图6：光催化甲醇分解反应机理。(a) 原位DRIFTS光谱。(b) EPR检测到的自由基加合物。

综上，作者通过旋节分解机制制备了HfN/Hf₂ON₂晶格相干异质结构，实现了从可见光到近红外区域的宽带光吸收，并显著提升了光催化制氢效率。

作者成功利用旋节分解机制制备了HfN/Hf₂ON₂晶格相干异质结构，实现了高效光生载流子分离和转移，显著提升了光催化制氢效率。

本研究为高效光催化制氢提供了一种新的解决方案，具有重要的科学意义和实际应用价值。

Spinodal decomposition enables coherent plasmonic metal/semiconductor heterostructure for full spectrum photocatalysis. Nat. Commun., 2025, https://www.nature.com/articles/s41467-025-61872-1.