在太阳能制氢领域，析氧助催化剂（OEC）的反应动力学相较于电催化剂体系明显滞后，这主要是由于当前在OEC应用中缺乏兼具快速反应动力学、最佳载流子传输效率和强运行稳定性的新型助催化剂。

2025年7月25日，苏州大学孟林兴、李亮在国际知名期刊Advanced Functional Materials发表题为《Exposed Cocatalyst Interface with Cr–In Bonding for Efficient Solar-Driven Fuel Production》的研究论文，Runyu Chen、Chiyao Zheng为论文共同第一作者，孟林兴、李亮为论文共同通讯作者。

在本文中，作者提出了一种具有暴露结界面（EJIs）的氧化铬（CrO_x）团簇助催化剂设计，用于高效的OEC应用，使光电催化剂在优异的光电子协同作用下可与电催化剂具有竞争力。

实验和理论结果表明，EJIs的形成可以同时引入大量暴露的催化位点，并显著降低反应势垒，从而改善光辅助水分解动力学。此外，暴露界面上的Cr–In键可以消除局部缺陷，从而抑制空穴复合并增强稳定性。

最终，该光电极实现了高达6.26 mA cm^-2（在1.23 V_RHE下）的显著光电流密度，比原始光电极高出920%。

图1：合成与结构表征。(a) 光电阳极合成示意图，展示了从In₂S₃到In₂S₃/Cr:EJI的制备流程。(b) 光电阳极的顶视SEM图像显示了金字塔形貌特征。(c) TEM图像揭示了In₂S₃/Cr: EJI表面的粗糙结构，表明CrO_x纳米簇的存在。(d) HRTEM图像进一步确认了In₂S₃/Cr转化为In₂S₃/Cr: EJI后表面的簇间结构。(e) TEM-EDS元素分布图显示了Cr和O在In和S表面的均匀分布。(f) TEM-EDS线扫描图，表明Cr和In元素在In₂S₃表面的重叠，说明部分In原子在碱蚀过程中扩散到CrO_x层中。

图2：助催化剂结构的结构表征。(a) Cr K边X射线吸收近边结构（XANES）光谱，表明In₂S₃/Cr和In₂S₃/Cr:EJI中的Cr均为Cr(3)氧化态。(b) 傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构（FT-EXAFS）结果，显示了Cr-O和Cr-Cr散射峰。(c) FT-EXAFS光谱中两个峰的偏移量，表明In₂S₃/Cr: EJI中Cr–Cr散射峰向更高R值偏移，归因于Cr–In强相互作用。(d-e) In₂S₃/Cr和In₂S₃/Cr:EJI的Cr K边EXAFS拟合曲线，揭示了Cr-O和Cr-Cr的配位结构。(f) In₂S₃/Cr和In₂S₃/Cr: EJI的优化模拟结构，显示了Cr–In交界面的存在。(g-i) Cr K边k³加权EXAFS光谱的小波变换结果，进一步确认了CrO_x簇结构及Cr-In交界面的存在。

图3：光电化学性能。(a) 光电化学（PEC）电流映射图像，显示了在1.23 V_RHE下，In₂S₃/Cr: EJI光电阳极具有显著增强的光电流。(b) LSV曲线表明In₂S₃/Cr: EJI在1.23 V_RHE下的光电流密度从0.68 mA cm^-2提升至6.26 mA cm^-2，提升了9.2倍。(c) In₂S₃/Cr: EJI与其他文献中报道的光电阳极的PEC性能对比，显示其性能处于领先水平。

图4：大面积和产氢性能。(a) CrO_x簇助催化剂的大面积制备方法示意图。(b) 大面积（70×50 mm²和210×150 mm²）In₂S₃/Cr:EJI光电阳极的光电流统计，表明其在1.23 V_RHE下的光电流密度约为6 mA cm^-2，具有良好的可重复性。(c) 产氢量图表，显示In₂S₃/Cr: EJI在1.23 V_RHE下的H₂产率显著高于纯In₂S₃。(d) 未辅助水分解的光电流密度-时间曲线，表明In₂S₃/Cr: EJI与钙钛矿太阳能电池串联时，初始光电流密度为6.73 mA cm^-2，稳定后为5.06 mA cm^-2，显示出优异的性能和稳定性。

图5：催化活性机理研究。(a-b) In₂S₃/Cr和In₂S₃/Cr: EJI的差分电荷密度图，显示In₂S₃/Cr: EJI在Cr和O位点的电子密度显著增加。(c-d) CrO_x簇之间的二维电荷密度截面视图，表明Cr–In交界面的形成增强了电子耦合。(e) In₂S₃/Cr和In₂S₃/Cr: EJI的双电层电容（Cdl），表明In₂S₃/Cr: EJI具有更高的电化学表面积和更好的表面催化性能。(f-i) 通过电化学阻抗谱（EIS）获得的拟合结果，包括电荷转移电阻（R_ct）、电荷转移率（K_ct）、表面复合率（K_rec）和传输效率（𝜂_trans），显示In₂S₃/Cr:EJI在表面催化和载流子传输方面的优势。

图6：界面催化机理研究。(a) In₂S₃/Cr: EJI的析氧反应（OER）催化机制示意图。(b-e) 为In₂S₃、In₂S₃/Cr和In₂S₃/Cr: EJI的OER自由能图，表明In₂S₃/Cr: EJI的过电位显著降低至0.63 eV。(f) In₂S₃/Cr: EJI照片阳极表面催化动力学的示意图，总结了暴露的簇间交界面（EJI）如何优化氧中间体的吸附强度，降低OER的过电位。

综上，作者报道了一种具有Cr-In键的助催化剂暴露结界面（EJI）结构，用于高效的太阳能驱动燃料生产。

研究团队通过在In₂S₃光电极表面构建CrO_x纳米簇并暴露其簇间界面，显著降低了析氧反应（OER）的能垒，同时抑制了光生空穴的复合，从而大幅提升了光电化学（PEC）水分解性能，光电流密度达到6.26 mA cm^-2，比原始光电极高出920%，并且在与钙钛矿太阳能电池串联时展现出优异的稳定性。

该研究不仅为太阳能制氢领域提供了一种高效的助催化剂设计策略，还为大规模太阳能驱动的绿色氢气生产开辟了新的可能性，具有重要的科学意义和广阔的应用前景。

Exposed Cocatalyst Interface with Cr-In Bonding for Efficient Solar-Driven Fuel Production. Adv. Funct. Mater., 2025. https://doi.org/10.1002/adfm.202508182.