太陽能光電催化分解水制氫研究取得新進展

　　日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室及潔凈能源國家實驗室研究員、中科院院士李燦領導的太陽能研究團隊繼發現并提出利用“空穴儲存層”的新概念和新策略構建高效穩定的太陽能光電化學分解水體系（Angew.Chem.Int.Ed.,2014,53,7295-7299,Guiji Liu,Jingying Shi,Can Li,et al.）之后，在“太陽能光電催化分解水制氫”研究方面又取得新進展。在以Ta3N5為基礎的高效半導體光陽極的設計構建研究中，利用“空穴儲存層（HSL）”和電子阻擋層進行界面修飾，并結合表面分子助催化劑，所構建的復合光陽極體系在基準水分解電位（1.23V）下獲得了接近其理論極限的光電流數(12.9 mA/cm2)，相關結果以全文的形式在線發表在Energy & Environmental Science上。

　　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，光陽極上的水氧化過程是太陽能分解水的決定步驟和關鍵科學問題，得到學術界的廣泛關注和研究。李燦研究團隊在啟動太陽能光電催化分解水的研究以來，深刻認識到該研究所面臨的嚴峻挑戰之所在，圍繞這一科學問題，在光電極制備、表面助催化劑修飾以及光電解池設計等方面，開展了一系列研究，不斷取得研究進展（Nanoscale 2014, 6, 2061-2066.；Faraday Discuss 2014, 176, 185-197；Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15, 4589-4595； 2014,16, 15608-15614；J. Phys. Chem. B, 2015, 119, 3560-3566； 2015, 119, 19607-19612；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 3791-3796等）。

　　半導體材料Ta3N5由于其能帶結構符合熱力學分解水的基本要求，且具有寬光譜響應性質，是當前太陽能分解水制氫領域研究的熱點材料之一。但這個材料易受光腐蝕，光電流起始電位偏正且其光電流偏低（文獻報道最高約6-7 mA/cm2），嚴重制約其光電催化性能的提高。繼2014年提出以ferrihydrite (Fh) 作為“空穴儲存層”構建世界上最高穩定性的Ta3N5基光陽極體系（Angew.Chem.Int.Ed.,2014,53,7295-7299, Guiji Liu,Jingying Shi,Can Li,et al.）之后，該研究團隊又于2015年報道了以Ni(OH)x/MoO3雙層作為另一“空穴儲存層”材料，進一步將Ta3N5光陽極的穩定性提高到24h以上，同時光電流起始電位大幅負移~600mV（Guiji Liu,Jingying Shi,Can Li,et al.,Chem.Eur.J.2015,21,9624-9628）。最近的研究中，將已發現的Ni(OH)x/Fh串聯為“空穴儲存層”，利用其空穴提取和存儲的性質，調控Ta3N5和分子助催化劑（Ir/Co絡合物）間的電荷轉移，并輔以電子阻擋層(TiOx)調節光生載流子的傳輸方向，最大程度地避免了電子和空穴的復合過程，在1.23V vs. RHE獲得了>12mA/cm2的目前國際最高的光電流。這一研究成果拓展了“空穴儲存層”的應用，形成理性設計高效光電極的新策略和新思路，為實現高效太陽燃料制備提供重要的研究基礎。

　　該研究工作得到國家自然科學基金和科技部“973”項目的資助。

大連化物所太陽能光電催化分解水制氫研究取得新進展