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光電催化水分解原理
發(fā)布時(shí)間：2023-02-06 瀏覽量：2315
在國(guó)家自然科學(xué)基金“人工光合成”基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：22088102）等資助下，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦院士團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了高效光電催化全分解水過(guò)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(wú)偏壓光電催化全解水制氫效率超過(guò)4%，于2021年8月11日在線發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上。
光電催化全分解水制氫是將太陽(yáng)光和水轉(zhuǎn)化為化學(xué)燃料的有效方法，通過(guò)在空間和功能上解耦兩個(gè)光電極（光陽(yáng)極和光陰極）的光吸收和催化功能，從而更高效地利用太陽(yáng)光，同時(shí)避免了外加偏壓和犧牲試劑的使用。從原理上來(lái)說(shuō)，這種結(jié)構(gòu)類(lèi)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(yáng)能燃料的Z機(jī)制構(gòu)型。如果能利用太陽(yáng)能實(shí)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(duì)化石資源的過(guò)度依賴(lài)，有助于解決氣候危機(jī)、能源安全等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和地球生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。
研究團(tuán)隊(duì)前期通過(guò)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(shí)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(guò)程。通過(guò)將無(wú)機(jī)氧化物基光陽(yáng)極，有機(jī)聚合物基光陰極與多個(gè)電荷傳輸媒介相耦合，組裝了一個(gè)高效的無(wú)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(jí)特性使得有機(jī)光陰極和無(wú)機(jī)光陽(yáng)極的光譜吸收具有較好的互補(bǔ)性，極大地提高了太陽(yáng)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(gè)包含多個(gè)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(dòng)下，光生電子通過(guò)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(shí)現(xiàn)高效的電荷分離和傳輸，太陽(yáng)能-氫氣轉(zhuǎn)換效率達(dá)到4.3%。
該研究通過(guò)使用具有匹配能級(jí)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(jì)和組裝提供了新穎的思路和有效的方法。
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