太阳能驱动催化剂裂解水高效制取氢气，能将丰富而廉价的太阳能资源转换为清洁的、可再生的氢燃料，在解决能源短缺和环境污染方面具有重要科学意义和重大应用前景，是一个受到广泛专注的研究领域。德国亥姆霍兹柏林能源材料中心Hans-Joachim Lewerenz教授带领的研究团队设计开发了一种串联光阳极结构的光电催化系统，创造了太阳能到氢能（STH）高达19%的创纪录转化效率。研究人员利用原子沉积方法在衬底上依次沉积了氧化钌（RuOx）、砷化镓（GaAs）、掺铟砷化镓（GaInAs）、掺铟磷化镓（GaInP）、掺铟磷化铝（AlInP）和二氧化钛（TiO2）薄膜，并最终在TiO2表面沉积一层钌（Rh）金属催化剂纳米颗粒，构造出了GaInAs和GaInP两个光阳极串联的光电催化系统。
扫描电镜表征显示，TiO2薄膜呈现出两维的片状结构，厚度约为30 nm，可以充当保护层有效保护光阳极免受电解质腐蚀，同时片状结构让其变成很好的反射层；Rh金属纳米颗粒均匀的分散在TiO2薄膜上，平均粒径约20 nm。光谱测试结果显示TiO2光电阴极薄膜，可降低约15%的反射率，而纳米尺寸Rh催化剂层几乎透明，实现超低光衰减，即使太阳光尽可能多的被半导体光阳极捕获从而产生更多光生电子-空穴对。在1个模拟太阳光辐照下，在稀释的高氯酸水溶液中的该串联光阳极催化系统的太阳能到氢转化效率达到了创纪录的19.3%，光电流为15.7mA/cm2。在酸性电解液中，光电流密度在3小时内降低至低值。其原因是由于酸性电解液中，催化剂被腐蚀会降低光电压，并导致催化剂的溶解，从而降低活性。在中性电解质中，光电流密度保持稳定，催化系统可以稳定运行超过20小时，且太阳能制氢效率依旧高达18.5%，光电流密度保持在其初始值的83%。但研究人员发现中性电解质中催化剂Rh的表面受电解质中磷酸盐缓冲液腐蚀影响，且Rh纳米层的高孔隙率抑制了光阳极的恢复再生，这都不利于催化剂长时间催化反应。因此，研究人员下一步将利用化学表面工程对催化剂进行改性以提升催化剂的稳定性。
该项研究设计开发了全新的双光阳极串联的催化体系，获得了高达19%太阳能到氢气转化效率，是目前已报道的太阳能光解水产氢的最高转换记录。相关研究成果发表在《ACS Energy Letters》。
