近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所太陽(yáng)能研究部院士李燦、研究員章福祥等在寬光譜捕光催化劑Z機(jī)制全分解水制氫研究中取得新進(jìn)展。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)和調(diào)控BiVO4表面助催化劑Au的擔(dān)載，以及雙助催化劑（Au和CoOx）的選擇性負(fù)載，可有效促進(jìn)BiVO4的產(chǎn)氧性能及其與氧化還原電對(duì)離子間的電荷傳輸，并基于此構(gòu)筑了高效的可見(jiàn)光Z機(jī)制全分解水體系，其表觀量子效率超過(guò)10%（420nm激發(fā)）。相關(guān)結(jié)果在線發(fā)表在Cell旗下的《焦耳》（Joule）期刊上。
大連化物所寬光譜捕光催化劑全分解水制氫研究取得新進(jìn)展
基于光催化劑粉末懸浮體系實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能全分解水產(chǎn)氫有望成為經(jīng)濟(jì)可行的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換方式之一。近年來(lái)，李燦和章福祥研究團(tuán)隊(duì)一直致力于利用寬光譜響應(yīng)材料構(gòu)筑Z機(jī)制全分解水體系，期間發(fā)展了“一鍋氮化”構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)促進(jìn)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(wěn)定性差、不易構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)的實(shí)驗(yàn)難題，進(jìn)而構(gòu)筑了多個(gè)Z機(jī)制全分解水制氫體系（Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci.）。此外，該團(tuán)隊(duì)發(fā)展了氨氣流保護(hù)負(fù)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(chǔ)上又發(fā)現(xiàn)助催化劑的分散性對(duì)界面電荷分離有極大影響，其受界面的親疏水屬性影響明顯，例如：通過(guò)Ta3N5表面氧化鎂層修飾不僅可促進(jìn)助催化劑分散和界面電荷分離效率，而且可有效抑制Z機(jī)制中的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，最終使Z機(jī)制全分解水制氫成為可能（相關(guān)結(jié)果發(fā)表在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., J. Catal., Appl Catal B: Environ.等）。通過(guò)不斷努力，該團(tuán)隊(duì)不僅成功拓展了Z機(jī)制全分解水制氫中產(chǎn)氫和產(chǎn)氧端催化劑對(duì)可見(jiàn)光的利用范圍（產(chǎn)氫端由510nm拓展至650nm; 產(chǎn)氧端由450nm拓展至590nm），而且將粉末體系Z機(jī)制可見(jiàn)光催化全分解水制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(zhuǎn)移、適宜中性環(huán)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(duì)，基于其前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，BiVO4不同晶面間存在光生電子和空穴空間分離（Nature Commun.），采用雙助催化劑（Au/CoOx）在BiVO4的{010}和{110}晶面上的選擇性沉積策略取得產(chǎn)氧性能大幅提升。在此基礎(chǔ)上通過(guò)耦合具有較寬可見(jiàn)光響應(yīng)的產(chǎn)氫端，實(shí)現(xiàn)了高效的Z機(jī)制全分解水，取得了10.3%（420nm激發(fā)）的全分解水制氫量子效率，刷新了該團(tuán)隊(duì)以前保持的6.8%（420nm激發(fā)）的記錄。此外，研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)Au納米粒子的擔(dān)載有利于從BiVO4抽取電子向[Fe(CN)6]3-的轉(zhuǎn)移。以上研究結(jié)果為今后進(jìn)一步發(fā)展高效可見(jiàn)光完全分解水體系奠定了基礎(chǔ)。
該研究工作獲得基金委、科技部、中科院以及能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等資助。
