大化所寬光譜捕光分解水製氫取進展

據能源材料化學協同創新中心報道：近日，iChEM研究人員，大連化物所太陽能研究部李燦院士

、章福祥研究員等在寬光譜捕光催化劑Z機製全分解水製氫研究中取得新進展。研究結果發現，通過設計和調控BiVO4表麵助催化劑Au的擔載，以及雙助催化劑（Au和CoOx）的選擇性負載，可有效促進BiVO4的產氧性能及其與氧化還原電對離子間的電荷傳輸，並基於此構築了高效的可見光Z機製全分解水體係，其表觀量子效率超過10%（420nm激發）。相關結果在線發表在Cell旗下的《焦耳》（Joule）期刊上。

基ji於yu光guang催cui化hua劑ji粉fen末mo懸xuan浮fu體ti係xi實shi現xian太tai陽yang能neng全quan分fen解jie水shui產chan氫qing有you望wang成cheng為wei經jing濟ji可ke行xing的de太tai陽yang能neng轉zhuan換huan方fang式shi之zhi一yi。近jin年nian來lai，李li燦can和he章zhang福fu祥xiang研yan究jiu團tuan隊dui一yi直zhi致zhi力li於yu利li用yong寬kuan光guang譜pu響xiang應ying材cai料liao構gou築zhuZ機製全分解水體係，期間發展了“一鍋氮化”構築異質結促進電荷分離的新方法，解決了含氮化合物在空氣或惰性氣體下熱穩定性差、不易構築異質結的實驗難題
，進而構築了多個Z機製全分解水製氫體係（Angew. Chem. Int.Ed., 2015, 54, 8498; Chem. Sci., 2017, 8, 437）。

此外，該團隊發展了氨氣流保護負載放氧助催化劑的新方法

，極大提升了寬光譜捕光催化劑的放氧性能

；在此基礎上又發現助催化劑的分散性對界麵電荷分離有極大影響
，其受界麵的親疏水屬性影響明顯，例如：通過Ta3N5表麵氧化鎂層修飾不僅可促進助催化劑分散和界麵電荷分離效率，而且可有效抑製Z機製中的競爭反應
，最終使Z機製全分解水製氫成為可能（相關結果發表在J.Am. Chem. Soc. 2012, 134, 8348; Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3047; J. Catal.2016, 339, 77; Appl Catal B: Environ., 2018, 224, 579等）。

通過不斷努力，該團隊不僅成功拓展了Z機製全分解水製氫中產氫和產氧端催化劑對可見光的利用範圍（產氫端由510nm拓展至650nm; 產氧端由450nm拓展至590nm），而且將粉末體係Z機製可見光催化全分解水製氫的表觀量子效率記錄不斷刷新。　　

本研究利用具有單電子轉移、適宜中性環境且具有較低氧化還原電位的[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-為氧化還原電對，基於其前期實驗發現，BiVO4不同晶麵間存在光生電子和空穴空間分離（NatureCommun. 2013, 4, 1432），采用雙助催化劑（Au/CoOx）在BiVO4的{010}和{110}晶麵上的選擇性沉積策略取得產氧性能大幅提升。

在此基礎上通過耦合具有較寬可見光響應的產氫端
，實現了高效的Z機製全分解水
，取得了10.3%（420nm激發）的全分解水製氫量子效率，刷新了該團隊以前保持的6.8%（420nm激發）的記錄。此外，研究同時發現Au納米粒子的擔載有利於從BiVO4抽取電子向[Fe(CN)6]3-的轉移。以上研究結果為今後進一步發展高效可見光完全分解水體係奠定了基礎。　　

該研究工作獲得基金委
、科技部、中科院以及能源材料化學協同創新中心等資助。