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大连化物所光催化剂制氢新进展

时间:2018-09-10 20:50:45来源:中科院

中科院网站消息:近日,中国科学院大连化学物理研究所太阳能研究部的中科院院士李灿、研究员章福祥等人在宽光谱捕光催化剂Z机制全分解水制氢研究中取得了新的研究进展。研究结果发现,通过设计和调控BiVO4的表面助催化剂Au的担载,以及双助催化剂(AuCoOx)的选择性负载,可以有效促进BiVO4的产氧性能及其与氧化还原电对离子间的电荷传输,研究人员基于此构筑了高效的可见光Z机制全分解水体系,其表观量子效率最终超过10%420nm激发)。相关结果已经在线发表在Cell旗下的Joule 期刊上。

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大连化物所宽光谱捕光催化剂全分解水制氢研究取得新进展

基于光催化剂粉的末悬浮体系实现太阳能全分解水产氢,有望成为经济可行的太阳能转换方式之一。近年来,李灿和章福祥团队一直致力于利用宽光谱响应材料构筑Z机制全分解水体系,在研究期间发展了“一锅氮化”构筑异质结促进电荷分离的新方法,解决了含氮化合物在空气或惰性气体下热稳定性差、不易构筑异质结的实验难题,进而构筑了多个Z机制全分解水制氢体系(Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci.)。此外,该团队还发展了氨气流保护负载放氧助催化剂的新方法,极大地提升了宽光谱捕光催化剂的放氧性能;并在此基础上又发现助催化剂的分散性,对界面电荷分离有极大影响,其受界面的亲疏水属性影响明显,例如:通过Ta3N5表面氧化镁层修饰,不仅可促进助催化剂分散以及界面电荷分离效率,而且还可以有效地抑制Z机制中的竞争反应,最终使Z机制全分解水制氢成为一种可能(相关结果已发表在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., J. Catal., Appl Catal B: Environ.等)。通过不断的努力,该团队不仅成功拓展了Z机制全分解水制氢中,产氢和产氧端催化剂对可见光的利用范围(产氢端由510nm拓展至650nm; 产氧端由450nm拓展至590nm),而且还将粉末体系Z机制可见光催化全分解水制氢的表观量子效率记录不断刷新。

该研究利用具有单电子转移、适宜中性环境且具有较低氧化还原电位的[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-为氧化还原电对,基于研究的前期实验发现,BiVO4的不同晶面间存在光生电子和空穴空间分离(Nature Commun.),实验采用双助催化剂(Au/CoOx)在BiVO4{010}{110}晶面上的选择性沉积策略,使得产氧性能大幅提升。研究人员在此基础上通过耦合具有较宽可见光响应的产氢端,最终实现了高效的Z机制全分解水,取得了10.3%420nm激发)的全分解水制氢量子效率,刷新了该团队以前保持的6.8%420nm激发)的记录。此外,此研究还同时发现了Au纳米粒子的担载,有利于从BiVO4抽取电子向[Fe(CN)6]3-的转移。以上的研究结果为今后进一步发展高效可见光完全分解水体系奠定了基础。

该研究工作获得基金委、科技部、中科院以及能源材料化学协同创新中心等资助。

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