芬兰于韦斯屈莱大学研究人员牵头开展的一项国际合作研究显示，半导体材料可通过（光）电化学路径用于绿色氢气生产。研究团队利用原子级计算模拟与精密的（光谱）电化学实验，解析了典型二氧化钛（TiO₂）半导体电极上氢气析出反应（HER）的基本机制，并为后续开发用于制氢的新材料提供依据。

研究指出，电催化与光电催化在清洁能源转换及多类可持续技术中具有重要作用，但当前高效催化剂多依赖贵金属，尤其是铂。由于贵金属价格高且供应有限，氢气生产的规模化推广与成本控制受到制约。

在此背景下，研究团队将半导体材料视为潜在替代方案。于韦斯屈莱大学教授 Karoliina Honkala 与高级讲师、科学院研究员 Marko Melander 表示，与传统金属基催化剂相比，半导体材料可使用更常见、成本更低的元素，但半导体电极的电化学与催化性能仍缺乏充分理解，限制了其发展。

该研究成果已发表于《自然通讯》（Nature Communications）。

新计算方法将电极电位纳入半导体模拟

研究团队表示，相较金属电化学，半导体电化学研究相对不足，原因之一在于研究方法受限，尤其是计算层面难以在原子与电子尺度上准确引入外加电极电位。

Melander 与 Honkala 团队此前开发了“恒定内势密度泛函理论”方法，使电极电位能够被纳入半导体电化学模拟。本次研究中，团队将该方法用于二氧化钛电极上的氢气析出反应，模拟结果解释了通过改变电极电位实现二氧化钛产氢的原因与路径，并预测外加电位可在二氧化钛表面形成局部电荷中心——极化子（polaron），从而促进氢气析出反应。

多种原位与操作态手段验证极化子形成

研究团队称，对上述计算预测进行实验验证具有挑战性，需要采用先进的实验技术。合作团队使用了光电化学拉曼测量、原位电子共振光谱以及操作态光电子光谱等方法。

Honkala 表示，相关实验过程复杂且耗时，但结果直接证明并确认：改变电极电位能够在二氧化钛表面产生极化子，这些电荷中心随后驱动二氧化钛电极上的氢气析出反应，并可能适用于其他半导体体系。

为催化剂设计提供新线索

研究还提出，电极电位可控的极化子形成属于电化学领域此前未被认识的现象，并且在传统金属电极上并不存在。研究人员认为，这一发现可为未来催化剂设计与材料开发提供新的思路。

研究团队指出，极化子的形成可能使半导体电极在一定程度上规避金属电极中限制催化活性提升的“标度关系”。他们认为，对电位依赖的极化子形成机制的认识，或可推动探索规避标度关系的路径，从而改进催化剂设计。

除于韦斯屈莱大学外，多所中国高校与研究机构的研究人员也参与了该项研究。