太陽能光電催化分解水制氫研究新進(jìn)展

6月9日，中科院大連化物所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及潔凈能源國家實(shí)驗(yàn)室李燦院士領(lǐng)導(dǎo)的太陽能研究團(tuán)隊(duì)在“太陽能光電催化分解水制氫”研究方面取得新進(jìn)展。在以Ta3N5為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體光陽極研究中，發(fā)現(xiàn)“空穴儲存層”電容效應(yīng)，藉此設(shè)計并獲得了高效穩(wěn)定的太陽能光電化學(xué)分解水體系，相關(guān)研究成果以通訊形式在線發(fā)表在近期的德國《應(yīng)用化學(xué)》雜志上(Guiji Liu, Jingying Shi, Can Li, et al., Angew.Chem.Int.Ed., DOI:10.1002/anie.201404697)。

光電催化分解水制氫是利用太陽能制備燃料的理想途徑之一，近半個世紀(jì)以來，各國科學(xué)家們不懈努力，致力于發(fā)展高效、穩(wěn)定的太陽能光電催化分解水體系。李燦研究團(tuán)隊(duì)在部署太陽能光催化分解水研究的同時，啟動太陽能光電催化分解水的研究，近年來在光電催化的關(guān)鍵部分光陽極體系的設(shè)計和制備方面不斷取得進(jìn)展：利用助催化劑修飾的BiVO4作為光陽極，在最小偏壓下實(shí)現(xiàn)了可見光驅(qū)動的全分解水反應(yīng)(Phys.Chem.Chem.Phys., 2013, 15, 4589-4595)，最近將BiVO4光陽極與硅疊層光陰極耦合，使太陽能制氫效率達(dá)到2.5%，是目前該體系最好結(jié)果。

為了提高太陽能制氫效率，需要發(fā)展寬光譜捕光的窄帶隙半導(dǎo)體光陽極，其中具有代表性的窄帶隙半導(dǎo)體Ta3N5材料，其太陽能制氫理論效率可達(dá)15% 以上，是目前國際太陽能光電催化制氫領(lǐng)域的主攻體系之一。但該體系易受光腐蝕，解決其穩(wěn)定性是本領(lǐng)域的挑戰(zhàn)課題。在這項(xiàng)工作中，在光陽極表面組裝ferrihydrite (Fh)層，在保持光電催化水氧化高效率前提下，發(fā)現(xiàn)其穩(wěn)定性可由幾分鐘提高到數(shù)小時，甚至工作10余小時后也未見明顯衰退，這是目前世界上報道的最高穩(wěn)定性的Ta3N5分解水光陽極體系。研究發(fā)現(xiàn)Ta3N5表面ferrihydrite (Fh)層具有電容的空穴儲存能力，它可將Ta3N5中光激發(fā)形成的光生空穴快速轉(zhuǎn)移、高效儲存，使半導(dǎo)體免于光腐蝕氧化，從而數(shù)量級提高了光陽極的穩(wěn)定性。在國際上提出了光電催化“空穴儲存層”的概念，這為進(jìn)一步設(shè)計構(gòu)筑高效穩(wěn)定的太陽能轉(zhuǎn)化體系提供了新的思路和策略。 該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目和科技部973項(xiàng)目的資助。