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我国学者在太阳能燃料合成驱动力与选择性方面研究取得系列成果
2018年12月13日    作者: 朱旺喜 张国俊 梁振兴    发布 : 化学科学部

在国家自然科学基金(项目编号:21525626, U1463205)的资助下,天津大学巩金龙教授课题组在光电化学(Photoelectrochemical, PEC)合成太阳能燃料(Solar Fuel)领域取得重要研究进展。

作为地球上最为丰富的可再生能源,太阳能表现出间歇、不稳定的特点。因此,亟待发展太阳能的高效存储与利用方法。将太阳能以化学能的形式储存在燃料中,是当前的研究热点之一。巩金龙教授团队立足于提高光电化学反应的驱动力以及调控催化剂表面的反应路径,他们在光电催化二氧化碳还原领域取得了新进展,实现了低起始电位下可控比例合成气的合成(图1)。研究成果以“a-Si/TiO2/Au光电阴极的晶界调控及其低起始电位下的二氧化碳还原制组分可调合成气”为题,于2018年10月30日在Energy Environ. Sci. 2018, DOI: 10.1039/C8EE02768D《能源与环境科学》上以封面论文形式在线发表。(论文链接:https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/EE/C8EE02768D

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图.负载有晶界可调的Au催化层的a-Si电极的(a)结构示意图和(b)能带结构图;负载有(c)4 nm厚Au层和(d)7 nm厚Au层催化剂在不同偏压产生的合成气中的H2/CO比

研究团队在二氧化钛保护层包覆的无定形硅电极(a-Si)表面修饰了晶界可调的金催化层,利用二氧化碳还原中间体键合强度与金晶界密度的关系,实现了还原产物合成气H2/CO比例从3:1到1:1的可控调变(图1c,d),其中包括化学工业上最常用的比例2:1与1:1。由于a-Si吸收层的高光生电压与催化剂层中金的强催化活性,还原产物中一氧化碳的法拉第效率在0.4 VRHE下仍高达40%。该系统实现了1个太阳强度照射下,水相二氧化碳光电还原反应最高的半电池效率和最低的起始电位。最后,通过构建PEC串联电池,可以实现光照下自发的二氧化碳还原反应。

基于提高反应驱动力与调控表面反应路径的方法,该研究团队在其他太阳能燃料方向也取得了重要进展:通过在纳米尺度对铜铟镓硒电极的体相与表面结构进行精确调控,在提高光生电压的同时促进了表面反应动力学,实现了高效的光电水分解反应(Energy Environ. Sci. 2018, 11, 2025-2034);通过构建电极表面氧空位,形成电极表面氮气活化中心,成功实现了常温常压下氨气的合成(Angew. Chem. Int. Ed. 2018,57, 5278-5282);提出了在电极表面构建Cu/Cu2O界面,利用界面效应调控二氧化碳还原产物选择性的方法,将二氧化碳转化为甲醇的法拉第效率提高到53.6%(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 15415-15419)。

上述系列研究中提出的对光催化过程进行驱动力及表面反应路径双重调控的策略,可以扩展应用到其他半导体电极体系的构建,从而使太阳能-化学能的高效大规模转化有望成为现实。 

(化学科学部 朱旺喜 张国俊 梁振兴)

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