太陽能制氫取得突破性進(jìn)展

光催化效率首達(dá)2.5%，空穴儲存層概念提供光電催化新思路

　　本報訊（記者陶加）近日，中科院大連化物所李燦院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊在太陽能制氫研究領(lǐng)域取得多項進(jìn)展。不僅實現(xiàn)了2.5%的光催化體系世界最高太陽能制氫效率，同時還獲得了穩(wěn)定性最高的Ta3N5太陽能光電化學(xué)分解水體系，并在國際上首次提出光電催化空穴儲存層概念，為進(jìn)一步設(shè)計構(gòu)筑高效穩(wěn)定的太陽能轉(zhuǎn)化體系提供了新的思路和策略。

　　利用取之不盡的太陽能作為制氫的一次能源是理想的能源發(fā)展方向?？茖W(xué)家們通過光催化和光電催化，利用太陽能把水分解為燃料電池所必需的氫和氧。然而，過去幾十年研究的光催化材料只能利用占太陽光總能量4％的紫外光，使太陽能制氫的廣泛應(yīng)用受到極大限制。如何發(fā)展穩(wěn)定的可見光光催化材料，使之能充分利用占太陽能總能量43%的可見光，成為太陽能分解水制氫技術(shù)的一個關(guān)鍵。

　　在國家自然科學(xué)基金重大項目和科技部“973”項目的資助下，通過多年的持續(xù)攻關(guān)，李燦研究團(tuán)隊在光催化和光電催化分解水的可見光研究中取得了重要進(jìn)展。他們利用助催化劑修飾的BiVO4作為光陽極，在最小偏壓下實現(xiàn)了可見光驅(qū)動的全分解水反應(yīng)。并將BiVO4光陽極與硅疊層光陰極耦合，使太陽能制氫效率達(dá)到2.5%以上，這是目前該體系的世界最高效率。

　　在進(jìn)行太陽能光催化分解水研究的同時，該團(tuán)隊也啟動了太陽能光電催化分解水的研究。要提高太陽能制氫效率，必須發(fā)展寬光譜捕光的窄帶隙半導(dǎo)體光陽極，其中具有代表性的是窄帶隙半導(dǎo)體Ta3N5材料，其太陽能制氫理論效率可達(dá)15%以上，是目前國際太陽能光電催化制氫領(lǐng)域的主攻體系之一。

　　但這一體系易受光腐蝕，解決其穩(wěn)定性成為該領(lǐng)域的挑戰(zhàn)課題。在這項研究工作中，大化所科研人員在光陽極表面組裝水鐵石（Fh）層、保持光電催化水氧化高效率前提下，發(fā)現(xiàn)其體系穩(wěn)定性可由幾分鐘延長至數(shù)小時，甚至十余小時后也未見明顯衰退，這是目前世界上報道的穩(wěn)定性最高的Ta3N5分解水光陽極體系。

　　科研人員進(jìn)一步探索發(fā)現(xiàn)，Ta3N5表面Fh層具有電容的空穴儲存能力，可使半導(dǎo)體Ta3N5材料免于光腐蝕氧化，從而使光陽極的穩(wěn)定性數(shù)量級式提高。藉此，李燦院士領(lǐng)導(dǎo)的太陽能研究團(tuán)隊在國際上提出了光電催化空穴儲存層概念，為進(jìn)一步設(shè)計構(gòu)筑高效穩(wěn)定的太陽能轉(zhuǎn)化體系提供了新的思路和策略。

來源：中國化工報

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