光（电）化学水分解产氢是生产可再生太阳能燃料一种很有前景的途径。在光电催化反应过程中，光电极的性能取决于其空间电荷层对光生电荷的分离能力。在空间电荷层中，驱动光生电荷分离的能带弯曲分布受到内建电场强度和空间电荷层宽度两个物理量的联合调制，使得这两个物理量在光电催化反应过程中的独立作用机制尚不清楚。

　　近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心软物质物理实验室翁羽翔团队（SM6组）联合大连化学物理研究所王秀丽研究员，利用Sn元素掺杂调节氧化铁光阳极的能带弯曲分布，并通过全时域（fs-s）原位时间分辨光谱揭示出能带弯曲分布对光电化学水分解过程中光生电荷动力学的影响机制。该研究发现：光生电荷的超快过程（fs-ns，与内建电场强度正相关）仅仅只是前提条件，真正控制光电催化性能的是长寿命电荷（μs-s，受能带弯曲分布制约）。光生电荷开始空间分离的起始点仅由空间电荷层宽度所决定，而与内建电场强度无关；而空间电荷层宽度阈值与氧化铁光阳极的德拜屏蔽长度密切相关。只有当空间电荷层宽度超过其阈值时，内建电场强度才对电荷的空间分离起主导作用；而强内建电场则有助于清空已占据的电子捕获态，促进光生电子-空穴对的空间分离。更重要的是，强内建电场能够有效地阻挡由电极再度进入氧化铁光阳极返回电子的跳跃式传输过程，从而抑制返回电子与水氧化中间物种之间的还原反应，从而促进表面氧化性空穴的累积，提高氧化铁光阳极上水氧化反应的速率。本研究为通过调节光（电）催化剂-电解质界面的能带弯曲分布来设计高效光电极提供了新思路。

　　该研究成果以“Disentangling the effect of space and electric field on photoelectrochemical water splitting”为题发表在《Nature Communications》期刊上。该工作得到了中国科学院、国家重点研发计划（2023YFA1507001）的支持。中国科学院物理研究所博士后李东峰为第一作者，大连化学物理研究所王秀丽、物理研究所刘立和翁羽翔为通讯作者。

　　文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-77786-5

图：（a）光生电荷分离的空间电荷层宽度阈值；（b）完全阻挡返回复合的内建电场；（c）空间电荷层宽度和内建电场各自的主导区间。