氮化钽（Ta₃N₅）是最具应用前景的光电化学（PEC）水分解光阳极材料之一，但较低的电子-空穴分离效率阻碍其太阳能-氢能转换效率。这主要是因为：（1）大多数报道的Ta₃N₅光阳极由多晶颗粒或多晶薄膜组成，沿电荷载流子传递路径上存在多个晶界，不利于电荷在半导体层中传输；（2）Ta₃N₅半导体层与导电基底间接触不够紧密，形成的不匹配界面阻碍电荷由半导体向基底快速传输；（3）光生电子和空穴的传递方向在空间上一致，不利于其有效分离。因此，如何合理设计Ta₃N₅光阳极结构，抑制光生载流子的体相复合，同时加快光生电荷在界面处传输，对推动PEC分解水制氢技术的进一步发展具有重要的科学意义。

近日，电子科技大学李严波教授团队以垂直排列的高导电性NbN_x纳米棒阵列作为内核，高结晶的Mg:Ta₃N₅超薄单层纳米晶粒作为壳层，通过一步氮化策略制备了独特的核壳纳米阵列光阳极。该结构提供了电荷纵向/横向快速传输/分离通道，实现了光生电荷在空间上的有效传输。

核壳NbNx@Mg:Ta₃N₅光阳极在电荷分离和传输方面具有独特的优势。首先在纳米阵列轴向上仅由单层晶粒排列构成的Mg:Ta₃N₅壳层，能有效促进体相电子/空穴对的传输和分离。其次，高导电性的NbNx在晶格上与Ta₃N₅相匹配，使得Nb₂O₅内核在高温氮化过程中更容易和Ta₂O₅壳层在界面上原位形成Ta-N-Nb键，加速界面电子转移。同时，DFT理论计算表明电子在半导体/基底界面间转移没有能垒阻碍，并且形成的Ta-N-Nb界面键为光生电子在界面间迁移构建了理想通道，有利于其由壳层向核层高效传输。

最终，尽管Ta₃N₅壳层厚度只有约10-30 nm，在简单修饰NiCoFe-Bi助催化剂后，该纳米阵列光阳极表现出7 mA/cm²的水氧化光电流密度（1.23 V_RHE，AM 1.5G），以及优异的稳定性和低起始电位（0.46 V_RHE）。该工作成功解决了传统半导体光电极中体/界面光生电荷复合严重的关键问题，并展示了结构设计在构筑高效PEC器件中的重要作用。