太陽能光電催化分解水制氫研究新進展

6月9日，中科院大連化物所催化基礎國家重點實驗室及潔凈能源國家實驗室李燦院士領導的太陽能研究團隊在“太陽能光電催化分解水制氫”研究方面取得新進展。在以Ta3N5為基礎的半導體光陽極研究中，發現“空穴儲存層”電容效應，藉此設計并獲得了高效穩定的太陽能光電化學分解水體系，相關研究成果以通訊形式在線發表在近期的德國《應用化學》雜志上(Guiji Liu, Jingying Shi, Can Li, et al., Angew.Chem.Int.Ed., DOI:10.1002/anie.201404697)。

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，近半個世紀以來，各國科學家們不懈努力，致力于發展高效、穩定的太陽能光電催化分解水體系。李燦研究團隊在部署太陽能光催化分解水研究的同時，啟動太陽能光電催化分解水的研究，近年來在光電催化的關鍵部分光陽極體系的設計和制備方面不斷取得進展：利用助催化劑修飾的BiVO4作為光陽極，在最小偏壓下實現了可見光驅動的全分解水反應(Phys.Chem.Chem.Phys., 2013, 15, 4589-4595)，最近將BiVO4光陽極與硅疊層光陰極耦合，使太陽能制氫效率達到2.5%，是目前該體系最好結果。

為了提高太陽能制氫效率，需要發展寬光譜捕光的窄帶隙半導體光陽極，其中具有代表性的窄帶隙半導體Ta3N5材料，其太陽能制氫理論效率可達15% 以上，是目前國際太陽能光電催化制氫領域的主攻體系之一。但該體系易受光腐蝕，解決其穩定性是本領域的挑戰課題。在這項工作中，在光陽極表面組裝ferrihydrite (Fh)層，在保持光電催化水氧化高效率前提下，發現其穩定性可由幾分鐘提高到數小時，甚至工作10余小時后也未見明顯衰退，這是目前世界上報道的最高穩定性的Ta3N5分解水光陽極體系。研究發現Ta3N5表面ferrihydrite (Fh)層具有電容的空穴儲存能力，它可將Ta3N5中光激發形成的光生空穴快速轉移、高效儲存，使半導體免于光腐蝕氧化，從而數量級提高了光陽極的穩定性。在國際上提出了光電催化“空穴儲存層”的概念，這為進一步設計構筑高效穩定的太陽能轉化體系提供了新的思路和策略。 該研究工作得到了國家自然科學基金重大項目和科技部973項目的資助。