大化所發表“助催化劑在光催化中的作用”綜述文章

　　近年來，中科院大連化學物理研究所李燦院士領導的催化基礎國家重點實驗室分子催化與原位表征研究組及潔凈能源國家實驗室太陽能部研究團隊在基于“結”與“助催化劑”構建光催化體系方面的系列研究工作受到了國際同行的廣泛關注。近日，該團隊受邀撰寫的綜述文章Roles of Cocatalysts in Photocatalysis and Photoelectrocatalysis(《助催化劑在光催化和光電催化重的作用》)在Accounts of Chemical Research上發表(Jinhui Yang, Donge Wang, Hongxian Han, and Can Li，Acc. Chem. Res., Article ASAP，DOI: 10.1021/ar300227e)。

　　自從上世紀70年代Fujishima和Honda發現TiO2 能夠用于光催化分解水制氫以來，太陽能光催化分解水的研究就被認為是解決未來可再生能源的最佳途徑之一，各國都投入了大量的研究，并成為目前熱門的研究課題之一。因為能夠利用自然界豐富的太陽能制氫，有望解決未來的潔凈能源問題，因此光催化分解水被認為是“科學界的圣杯”;但同時因為光催化分解水是一個多電子轉移的能量爬坡過程，是動力學和熱力學上都比較難以實現的反應，因此又被喻為“科學界的哥德巴赫猜想”。

　　40多年的研究經驗表明，單一的催化劑很難高效地光催化分解水;構建復合的光催化體系是實現高效光催化分解水的必然之路。雖然目前報導的一些光催化劑和體系能夠全分解水，但是效率還是很低，主要是因為一些關鍵科學問題還沒有很好地解決，這些問題包括：光的有效吸收、光生電子和空穴的有效分離、有效的氧化和還原表面催化反應等。為了進一部認識和解決這些問題，李燦院士研究團隊提出了基于“結”與“助催化劑”構建復合光催化體系光催化分解水制氫的構想，并取得了一系列的研究成果(Nature Commun., 4, 1432, 2013; Angew. Chem. Int. Ed., 51, 13089, 2012; J. Catal., 290, 151, 2012; J. Phys. Chem. C, 116, 5082, 2012;ChemSusChem, 5, 849, 2012; Energy Environ. Sci., 5, 6400, 2012; J. Catal., 281, 318, 2011; J. Phys. Chem. C, 114, 12818, 2010; J. Catal., 266, 165, 2009; J. Am. Chem. Soc., 130, 7176, 2008;Angew. Chem. Int. Ed., 120, 1766, 2008)。

　　本綜述文章比較系統地總結了李燦研究團隊近年在發展光催化和光電催化助催化劑方面的研究進展。對于半導體基的光催化和光電催化體系來說, 適當的助催化劑的擔載, 尤其是氧化和還原助催化劑的擔載, 能夠大大提高半導體光催化體系光催化分解水的活性。這是因為：1.助催化劑能夠提供有效的表面反應活性位，使表面催化反應易于發生;2.通過光生電荷向助催化劑的遷移，進一步抑制光生電子和空穴的復合以及反應過程中活性物種和產物之間逆反應的發生;3.助催化劑能夠加速反應進行，及時消耗掉光生電荷，尤其是空穴，從而避免光催化體系的光腐蝕氧化，提高光催化體系的穩定性;4.助催化劑能夠降低催化反應的活化能，提高反應活性;5.通過雙助催化劑的擔載，能夠實現類似于自然光合作用體系中PSII和PSI有效分離的Z-型機制，在空間上實現氧化和還原反應位的分離，從而提高光生電子和空穴的利用效率。因此，基于“結”與“助催化劑”構建復合光催化體系光催化分解水制氫的構想是一個發展高效光催化分解水體系的有效途徑。

　　近幾年來，在光催化分解水研究領域中，人們已經逐漸意識到助催化劑的作用，但認識還不是很深刻。本篇綜述文章是第一篇比較系統地闡述光催化和光電催化體系中助催化劑作用的文章，對未來開發出更為有效的光催化分解水體系具有非常重要的指導意義。

　　該項目得到了國家自然科學基金委員會、國家科技部“973”項目、中國科學院太陽能行動計劃、大連市科技局等資助。