近日, 中國科學院大連化學物理研究所太陽能研究部中科院院士李燦, 研究員章福祥等在寬光譜捕光催化劑Z機制全分解水制氫研究中取得新進展. 研究結果發現, 通過設計和調控BiVO4表面助催化劑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機制全分解水體系, 其表觀量子效率超過10% (420nm激發) . 相關結果線上發表在Cell旗下的Joule 期刊上.
基於光催化劑粉末懸浮體系實現太陽能全分解水產氫有望成為經濟可行的太陽能轉換方式之一. 近年來, 李燦和章福祥團隊一直致力於利用寬光譜響應材料構築Z機制全分解水體系, 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機制全分解水制氫體系 (Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci.) . 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Ta3N5表面氧化鎂層修飾不僅可促進助催化劑分散和界面電荷分離效率, 而且可有效抑制Z機制中的競爭反應, 最終使Z機制全分解水制氫成為可能 (相關結果發表在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., J. Catal., Appl Catal B: Environ.等) . 通過不斷努力, 該團隊不僅成功拓展了Z機制全分解水制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) , 而且將粉末體系Z機制可見光催化全分解水制氫的表觀量子效率記錄不斷刷新.
該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不同晶面間存在光生電子和空穴空間分離 (Nature Commun.) , 採用雙助催化劑 (Au/CoOx) 在BiVO4的{010}和{110}晶面上的選擇性沉積策略使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機制全分解水, 取得了10.3% (420nm激發) 的全分解水制氫量子效率, 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系奠定了基礎.
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.
