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      甯波材料所構築分子系統實現高效太陽光水解制氫

      文章來源:甯波材料技術與工程研究所  |  發布時間:2020-06-18  |  【打印】 【關閉

        

        2020年6月,Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(《美国科学院院刊》)在线发表了中國科學院宁波材料技术与工程研究所先进能源材料工程实验室在太阳光水解制氢领域的最新研究成果“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啓發,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,並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爲氫氣。該反應中,水氧化條件較爲苛刻,因爲水氧化會依次損失4個電子和産生4個質子,是一個動力學較爲緩慢的過程。通常在電極表面上,光子吸收/電子轉移啓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複合。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。

        虽然半导体材料在人工光合作用领域得到广泛研究和应用,但是从设计的角度来看,分子组装方法在提高太阳能分解水电池的效率上更具有优势,然而目前基于分子体系的太阳能制氢效率远低于半导体材料为基础的体系。中科院宁波材料所先进能源材料工程实验室汪德高研究员与美国北卡罗莱纳大学教堂山分校尤为教授和Thomas J. Meyer 教授开展合作研究,报道了基于分子系统光电化学电池/光伏串联电池高效分解水的研究。该串联电池将染料敏化光电合成电池(DSPEC)加入有机光吸收基团,利用可见光将水转化为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爲改進,並爲基于分子的太陽能燃料轉化效率提供了基准。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爲~1%。

        以上工作得到甯波市頂尖人才計劃(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。

      图1 左图显示OSC外部连接带有外部Pt阴极的DSPEC/PV串联设备,右图显示串联电池的能级设计和电子传输过程

      图2 (a)串联装置分子系统产生气体过程的光电流信号;(b)水分解过程中产生的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,顯示了從電流曲線産生的氣體的理論值

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