近年來(lái)，中科院大連化學(xué)物理研究所李燦院士領(lǐng)導(dǎo)的催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分子催化與原位表征研究組及潔凈能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室太陽(yáng)能部研究團(tuán)隊(duì)在基于“結(jié)”與“助催化劑”構(gòu)建光催化體系方面的系列研究工作受到了國(guó)際同行的廣泛關(guān)注。近日，該團(tuán)隊(duì)受邀撰寫(xiě)的綜述文章“Roles of Cocatalysts in Photocatalysis and Photoelectrocatalysis”（助催化劑在光催化和光電催化重的作用）在Accounts of Chemical Research上發(fā)表（Jinhui Yang, Donge Wang, Hongxian Han, and Can Li，Acc. Chem. Res., Article ASAP，DOI: 10.1021/ar300227e，http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ar300227e）。
自從上世紀(jì)70年代Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)TiO2 能夠用于光催化分解水制氫以來(lái)，太陽(yáng)能光催化分解水的研究就被認(rèn)為是解決未來(lái)可再生能源的最佳途徑之一，各國(guó)都投入了大量的研究，并成為目前熱門(mén)的研究課題之一。因?yàn)槟軌蚶米匀唤缲S富的太陽(yáng)能制氫，有望解決未來(lái)的潔凈能源問(wèn)題，因此光催化分解水被認(rèn)為是“科學(xué)界的圣杯”；但同時(shí)因?yàn)楣獯呋纸馑且粋€(gè)多電子轉(zhuǎn)移的能量爬坡過(guò)程，是動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)上都比較難以實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)，因此又被喻為“科學(xué)界的哥德巴赫猜想”。40多年的研究經(jīng)驗(yàn)表明，單一的催化劑很難高效地光催化分解水；構(gòu)建復(fù)合的光催化體系是實(shí)現(xiàn)高效光催化分解水的必然之路。雖然目前報(bào)導(dǎo)的一些光催化劑和體系能夠全分解水，但是效率還是很低，主要是因?yàn)橐恍╆P(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題還沒(méi)有很好地解決，這些問(wèn)題包括：光的有效吸收、光生電子和空穴的有效分離、有效的氧化和還原表面催化反應(yīng)等。為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和解決這些問(wèn)題，李燦院士研究團(tuán)隊(duì)提出了基于“結(jié)”與“助催化劑”構(gòu)建復(fù)合光催化體系光催化分解水制氫的構(gòu)想，并取得了一系列的研究成果（Nature Commun., 4, 1432, 2013; Angew. Chem. Int. Ed., 51, 13089, 2012; J. Catal., 290, 151, 2012; J. Phys. Chem. C, 116, 5082, 2012;ChemSusChem, 5, 849, 2012； Energy Environ. Sci., 5, 6400, 2012; J. Catal., 281, 318, 2011; J. Phys. Chem. C, 114, 12818, 2010; J. Catal., 266, 165, 2009; J. Am. Chem. Soc., 130, 7176, 2008；Angew. Chem. Int. Ed., 120, 1766, 2008）。
本綜述文章比較系統(tǒng)地總結(jié)了李燦研究團(tuán)隊(duì)近年在發(fā)展光催化和光電催化助催化劑方面的研究進(jìn)展。對(duì)于半導(dǎo)體基的光催化和光電催化體系來(lái)說(shuō), 適當(dāng)?shù)闹呋瘎┑膿?dān)載, 尤其是氧化和還原助催化劑的擔(dān)載, 能夠大大提高半導(dǎo)體光催化體系光催化分解水的活性。這是因?yàn)椋?）助催化劑能夠提供有效的表面反應(yīng)活性位，使表面催化反應(yīng)易于發(fā)生；2）通過(guò)光生電荷向助催化劑的遷移，進(jìn)一步抑制光生電子和空穴的復(fù)合以及反應(yīng)過(guò)程中活性物種和產(chǎn)物之間逆反應(yīng)的發(fā)生；3）助催化劑能夠加速反應(yīng)進(jìn)行，及時(shí)消耗掉光生電荷，尤其是空穴，從而避免光催化體系的光腐蝕氧化，提高光催化體系的穩(wěn)定性；4）助催化劑能夠降低催化反應(yīng)的活化能，提高反應(yīng)活性；5）通過(guò)雙助催化劑的擔(dān)載，能夠?qū)崿F(xiàn)類(lèi)似于自然光合作用體系中PSII和PSI有效分離的Z-型機(jī)制，在空間上實(shí)現(xiàn)氧化和還原反應(yīng)位的分離，從而提高光生電子和空穴的利用效率。因此，基于“結(jié)”與“助催化劑”構(gòu)建復(fù)合光催化體系光催化分解水制氫的構(gòu)想是一個(gè)發(fā)展高效光催化分解水體系的有效途徑。
近幾年來(lái)，在光催化分解水研究領(lǐng)域中，人們已經(jīng)逐漸意識(shí)到助催化劑的作用，但認(rèn)識(shí)還不是很深刻。本篇綜述文章是第一篇比較系統(tǒng)地闡述光催化和光電催化體系中助催化劑作用的文章，對(duì)未來(lái)開(kāi)發(fā)出更為有效的光催化分解水體系具有非常重要的指導(dǎo)意義。
該項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、國(guó)家科技部973項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院太陽(yáng)能行動(dòng)計(jì)劃、大連市科技局等資助。
