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寧波材料所構筑分子系統實現高效太陽光水解制氫
作者:,日期:2020-06-18

  2020年6月,Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(《美國科學院院刊》)在線發表了中國科學院寧波材料技術與工程研究所先進能源材料工程實驗室在太陽光水解制氫領域的最新研究成果“A molecular tandem cell for efficient solar water splitting”(DOI: 10.1073/pnas.2001753117)。

  氫能是未來清潔能源的重要組成,受到自然界光合作用的啟發,人工光合作用制氫相比其它高溫制氫等手段具有綠色、經濟等特征。在人工光合作用中,陽光氧化水,并將氧化還原等價物轉移至二氧化碳,最終將CO2還原或者將質子還原為氫氣。該反應中,水氧化條件較為苛刻,因為水氧化會依次損失4個電子和產生4個質子,是一個動力學較為緩慢的過程。通常在電極表面上,光子吸收/電子轉移啟動步驟需要與催化劑整合,實現較短時間(微秒級)完成水氧化反應,從而避免電子與空穴復合。比較主流的研究思路是采用半導體型核/殼結構光陽極材料,核殼結構可實現電子的高效轉移來輔助光陽極材料、吸光基團和催化劑之間的局部電荷分離,使得光陽極水氧化效率大大提高。

  雖然半導體材料在人工光合作用領域得到廣泛研究和應用,但是從設計的角度來看,分子組裝方法在提高太陽能分解水電池的效率上更具有優勢,然而目前基于分子體系的太陽能制氫效率遠低于半導體材料為基礎的體系。中科院寧波材料所先進能源材料工程實驗室汪德高研究員與美國北卡羅萊納大學教堂山分校尤為教授和Thomas J. Meyer 教授開展合作研究,報道了基于分子系統光電化學電池/光伏串聯電池高效分解水的研究。該串聯電池將染料敏化光電合成電池(DSPEC)加入有機光吸收基團,利用可見光將水轉化為O2和H2。實驗結果表明可見光吸收電極的太陽能到氫能的轉化效率大為改進,并為基于分子的太陽能燃料轉化效率提供了基準。通過將DSPEC光電陽極與有機太陽能電池OSC結合,太陽能人工水分解制氫效率達到1.5%,相比之下,自然光合作用的效率僅為~1%。

  以上工作得到寧波市頂尖人才計劃(先進能源材料交叉創新團隊)和浙江省領軍型創新創業團隊(2019R01003)的支持。

圖1 左圖顯示OSC外部連接帶有外部Pt陰極的DSPEC/PV串聯設備,右圖顯示串聯電池的能級設計和電子傳輸過程

圖2 (a)串聯裝置分子系統產生氣體過程的光電流信號;(b)水分解過程中產生的H2和O2的定量示意圖,紅線和黑線對應于外部測量的H2和O2,黑色和紅色虛線對應于隨時間的積分光電流,顯示了從電流曲線產生的氣體的理論值

 ?。ㄏ冗M能源材料工程實驗室 供稿)

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