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光電催化水分解原理
發(fā)布時間：2023-02-06 瀏覽量：3090
在國家自然科學(xué)基金“人工光合成”基礎(chǔ)科學(xué)中心項目（批準(zhǔn)號：22088102）等資助下，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦院士團(tuán)隊成功實現(xiàn)了高效光電催化全分解水過程，分解水制氫效率達(dá)到4.3%，是目前文獻(xiàn)最好結(jié)果。研究成果以“多媒介調(diào)控的無偏壓光電催化全解水制氫效率超過4%，于2021年8月11日在線發(fā)表于《美國化學(xué)會志》上。
光電催化全分解水制氫是將太陽光和水轉(zhuǎn)化為化學(xué)燃料的有效方法，通過在空間和功能上解耦兩個光電極（光陽極和光陰極）的光吸收和催化功能，從而更高效地利用太陽光，同時避免了外加偏壓和犧牲試劑的使用。從原理上來說，這種結(jié)構(gòu)類似于自然光合作用體系（光系統(tǒng)II和光系統(tǒng)I）提供水氧化和生產(chǎn)太陽能燃料的Z機(jī)制構(gòu)型。如果能利用太陽能實現(xiàn)高效的光電催化全分解水制氫，改變能源和化工產(chǎn)業(yè)對化石資源的過度依賴，有助于解決氣候危機(jī)、能源安全等問題，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和地球生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。
研究團(tuán)隊前期通過模擬光系統(tǒng)II中關(guān)鍵組分的重要功能，構(gòu)筑了高效的光電催化水氧化體系此工作基于自然光合作用的原理，成功實現(xiàn)了由自然光合作用Z機(jī)制啟發(fā)的高效光電催化全分解水過程。通過將無機(jī)氧化物基光陽極，有機(jī)聚合物基光陰極與多個電荷傳輸媒介相耦合，組裝了一個高效的無偏壓全分解水光電化學(xué)池。該體系具有如下特性：
（1）有機(jī)聚合物的離散能級特性使得有機(jī)光陰極和無機(jī)光陽極的光譜吸收具有較好的互補(bǔ)性，極大地提高了太陽能的利用率；
（2）在捕光材料和電子受體/供體之間構(gòu)建了一個包含多個電荷傳輸媒介的仿生電荷轉(zhuǎn)移鏈。在電化學(xué)電位梯度的驅(qū)動下，光生電子通過這些電荷傳輸媒介有效轉(zhuǎn)移，提高了電荷傳輸速率并降低了電荷復(fù)合速率，從而實現(xiàn)高效的電荷分離和傳輸，太陽能-氫氣轉(zhuǎn)換效率達(dá)到4.3%。
該研究通過使用具有匹配能級的多媒介調(diào)控的仿生策略，為高效人工光合體系的合理設(shè)計和組裝提供了新穎的思路和有效的方法。
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