太阳能光电催化分解水制氢取得重要进展-太阳能研究部

部长介绍

李灿院士

现任中国科学院大连化学物理研究所研究员、洁净能源国家实验室主任，2003年当选中国科学院院士。中国科学院大连化学物理研究所和日本东京工业大学联合培养理学博士。曾先后在比利时新鲁汶大学、美国西北大学、英国利物浦大学……

室主任，2003年当选中国科学院院士。中国科学院大连化学物理研究所和日本东京工业大学联合培养理学博士。曾先后在比利时新鲁汶大学、美国西北大学、英国利物浦大学……

学术动态

太阳能光电催化分解水制氢取得重要进展

发布人：管理员发布时间：2014-06-19 返回首页

　　近日，我组在“太阳能光电催化分解水制氢”研究方面取得重要进展。在以Ta₃N₅为基础的半导体光阳极研究中，发现“空穴储存层”电容效应，藉此设计并获得了高效稳定的太阳能光电化学分解水体系，相关研究成果以通讯形式在线发表在近期的《德国应用化学》杂志上（Guiji Liu, Jingying Shi, Can Li, et al., Angew. Chem. Int. Ed., DOI:10.1002/anie.201404697）。

光电催化分解水制氢是利用太阳能制备燃料的理想的途径之一，近半个世纪以来，各国科学家们不懈努力，致力于发展高效、稳定的太阳能光电催化分解水体系。我组在部署太阳能光催化分解水研究的同时，启动太阳能光电催化分解水的研究，近年来在光电催化的关键部分光阳极体系的设计和制备方面不断取得进展：利用助催化剂修饰的BiVO₄作为光阳极，在最小偏压下实现了可见光驱动的全分解水反应（Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15, 4589-4595），最近将BiVO₄光阳极与硅叠层光阴极耦合，太阳能制氢效率达到2.5%的目前该体系最好结果。

为了提高太阳能制氢效率，需要发展宽光谱捕光的窄带隙半导体光阳极，其中具有代表性的窄带隙半导体Ta₃N₅材料，其太阳能制氢理论效率可达15% 以上，是目前国际太阳能光电催化制氢领域的主攻体系之一。但该体系易受光腐蚀，解决其稳定性是本领域的挑战课题。在这项工作中，在光阳极表面组装ferrihydrite (Fh) 层，在保持光电催化水氧化高效率前提下，发现其稳定性可由几分钟提高到数小时，甚至工作十余小时后也未见明显衰退，这是目前世界上报道的最高稳定性的Ta₃N₅分解水光阳极体系。研究发现Ta3N5表面ferrihydrite (Fh) 层具有电容的空穴储存能力，它可将Ta₃N₅中光激发形成的光生空穴快速转移、高效储存，使半导体免于光腐蚀氧化，从而数量级提高了光阳极的稳定性。在国际上提出了光电催化“空穴储存层”的概念，这为进一步设计构筑高效稳定的太阳能转化体系提供了新的思路和策略。

　　该研究工作得到了国家自然科学基金重大项目和科技部973项目的资助。（文/图刘桂继，施晶莹）