大連化物所太陽能光電催化分解水制氫研究取得新進(jìn)展

　　近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及潔凈能源國家實(shí)驗(yàn)室研究員、中科院院士李燦領(lǐng)導(dǎo)的太陽能研究團(tuán)隊(duì)繼發(fā)現(xiàn)并提出利用“空穴儲(chǔ)存層”的新概念和新策略構(gòu)建高效穩(wěn)定的太陽能光電化學(xué)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(jìn)展。在以Ta3N5為基礎(chǔ)的高效半導(dǎo)體光陽極的設(shè)計(jì)構(gòu)建研究中，利用“空穴儲(chǔ)存層（HSL）”和電子阻擋層進(jìn)行界面修飾，并結(jié)合表面分子助催化劑，所構(gòu)建的復(fù)合光陽極體系在基準(zhǔn)水分解電位（1.23V）下獲得了接近其理論極限的光電流數(shù)(12.9 mA/cm2)，相關(guān)結(jié)果以全文的形式在線發(fā)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(guān)鍵科學(xué)問題，得到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注和研究。李燦研究團(tuán)隊(duì)在啟動(dòng)太陽能光電催化分解水的研究以來，深刻認(rèn)識(shí)到該研究所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之所在，圍繞這一科學(xué)問題，在光電極制備、表面助催化劑修飾以及光電解池設(shè)計(jì)等方面，開展了一系列研究，不斷取得研究進(jìn)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(dǎo)體材料Ta3N5由于其能帶結(jié)構(gòu)符合熱力學(xué)分解水的基本要求，且具有寬光譜響應(yīng)性質(zhì)，是當(dāng)前太陽能分解水制氫領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)材料之一。但這個(gè)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(xiàn)報(bào)道最高約6-7 mA/cm2），嚴(yán)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(chǔ)存層”構(gòu)建世界上最高穩(wěn)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(tuán)隊(duì)又于2015年報(bào)道了以Ni(OH)x/MoO3雙層作為另一“空穴儲(chǔ)存層”材料，進(jìn)一步將Ta3N5光陽極的穩(wěn)定性提高到24h以上，同時(shí)光電流起始電位大幅負(fù)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(fā)現(xiàn)的Ni(OH)x/Fh串聯(lián)為“空穴儲(chǔ)存層”，利用其空穴提取和存儲(chǔ)的性質(zhì)，調(diào)控Ta3N5和分子助催化劑（Ir/Co絡(luò)合物）間的電荷轉(zhuǎn)移，并輔以電子阻擋層(TiOx)調(diào)節(jié)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(fù)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(chǔ)存層”的應(yīng)用，形成理性設(shè)計(jì)高效光電極的新策略和新思路，為實(shí)現(xiàn)高效太陽燃料制備提供重要的研究基礎(chǔ)。

　　該研究工作得到國家自然科學(xué)基金和科技部“973”項(xiàng)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(jìn)展