寧波材料所構(gòu)筑分子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效太陽(yáng)光水解制氫
2020年6月，Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（《美國(guó)科學(xué)院院刊》）在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進(jìn)能源材料工程實(shí)驗(yàn)室在太陽(yáng)光水解制氫領(lǐng)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(lái)清潔能源的重要組成，受到自然界光合作用的啟發(fā)，人工光合作用制氫相比其它高溫制氫等手段具有綠色、經(jīng)濟(jì)等特征。在人工光合作用中，陽(yáng)光氧化水，并將氧化還原等價(jià)物轉(zhuǎn)移至二氧化碳，最終將CO2還原或者將質(zhì)子還原為氫氣。該反應(yīng)中，水氧化條件較為苛刻，因?yàn)樗趸瘯?huì)依次損失4個(gè)電子和產(chǎn)生4個(gè)質(zhì)子，是一個(gè)動(dòng)力學(xué)較為緩慢的過(guò)程。通常在電極表面上，光子吸收/電子轉(zhuǎn)移啟動(dòng)步驟需要與催化劑整合，實(shí)現(xiàn)較短時(shí)間（微秒級(jí)）完成水氧化反應(yīng)，從而避免電子與空穴復(fù)合。比較主流的研究思路是采用半導(dǎo)體型核/殼結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極材料，核殼結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)電子的高效轉(zhuǎn)移來(lái)輔助光陽(yáng)極材料、吸光基團(tuán)和催化劑之間的局部電荷分離，使得光陽(yáng)極水氧化效率大大提高。
雖然半導(dǎo)體材料在人工光合作用領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用，但是從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，分子組裝方法在提高太陽(yáng)能分解水電池的效率上更具有優(yōu)勢(shì)，然而目前基于分子體系的太陽(yáng)能制氫效率遠(yuǎn)低于半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的體系。中科院寧波材料所先進(jìn)能源材料工程實(shí)驗(yàn)室汪德高研究員與美國(guó)北卡羅萊納大學(xué)教堂山分校尤為教授和Thomas J. Meyer 教授開展合作研究，報(bào)道了基于分子系統(tǒng)光電化學(xué)電池/光伏串聯(lián)電池高效分解水的研究。該串聯(lián)電池將染料敏化光電合成電池（DSPEC）加入有機(jī)光吸收基團(tuán)，利用可見(jiàn)光將水轉(zhuǎn)化為O2和H2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可見(jiàn)光吸收電極的太陽(yáng)能到氫能的轉(zhuǎn)化效率大為改進(jìn)，并為基于分子的太陽(yáng)能燃料轉(zhuǎn)化效率提供了基準(zhǔn)。通過(guò)將DSPEC光電陽(yáng)極與有機(jī)太陽(yáng)能電池OSC結(jié)合，太陽(yáng)能人工水分解制氫效率達(dá)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(jì)劃（先進(jìn)能源材料交叉創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)）和浙江省領(lǐng)軍型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)（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(lián)設(shè)備，右圖顯示串聯(lián)電池的能級(jí)設(shè)計(jì)和電子傳輸過(guò)程
圖2 （a）串聯(lián)裝置分子系統(tǒng)產(chǎn)生氣體過(guò)程的光電流信號(hào)；（b）水分解過(guò)程中產(chǎn)生的H2和O2的定量示意圖，紅線和黑線對(duì)應(yīng)于外部測(cè)量的H2和O2，黑色和紅色虛線對(duì)應(yīng)于隨時(shí)間的積分光電流，顯示了從電流曲線產(chǎn)生的氣體的理論值
（先進(jìn)能源材料工程實(shí)驗(yàn)室 供稿）