【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】太陽能光催化分解水制取綠氫，是前沿和顛覆性低碳技術(shù)，在助力實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)方面極具潛力。該技術(shù)主要是利用太陽光譜中的紫外和可見光來驅(qū)動半導(dǎo)體光催化材料，以滿足水分解所需的能量要求。其中，發(fā)展高效的半導(dǎo)體光催化材料是該技術(shù)走向應(yīng)用的關(guān)鍵。經(jīng)歷近半個世紀(jì)的持續(xù)研究，半導(dǎo)體光催化材料對占比太陽光譜不足5%的紫外光的利用效率已近100%，而對占太陽光譜中占比達45%的可見光的利用效率卻很低。究其原因是可見光能量較低，激發(fā)窄帶隙半導(dǎo)體產(chǎn)生的光生電子與空穴誘發(fā)水分解反應(yīng)的驅(qū)動力不足。因此，實現(xiàn)高效可見光催化分解水，是太陽能光催化分解水制氫領(lǐng)域的研究制高點。
 

　　近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心劉崗研究團隊與國內(nèi)外研究團隊合作，發(fā)展出仿生圖案化半導(dǎo)體光催化材料面板，實現(xiàn)可見光驅(qū)動下水的自發(fā)裂解產(chǎn)生化學(xué)計量比的氫氣和氧氣。9月26日，該研究以“An Artificial Leaf with Patterned Photocatalysts for Sunlight-Driven Water Splitting”為題發(fā)表于Journal of the American Chemical Society上。
 

　　自然界中植物葉子可以高效利用可見光進行光合作用，是因為葉子中進行光合作用的場所類囊體膜(亦稱作光合作用膜)中，間隔有序分布著兩種吸收可見光的光合成色素(光系統(tǒng)Ⅰ/Ⅱ)，兩者通過電荷傳遞蛋白實現(xiàn)串接，受可見光激發(fā)產(chǎn)生的光生電荷按照Z型路徑傳遞，實現(xiàn)能量疊加驅(qū)動可見光下的高效光合成反應(yīng)(圖1)。研究人員受此啟發(fā)，結(jié)合微納集成工藝，在氟摻雜氧化錫(FTO)透明導(dǎo)電玻璃上創(chuàng)制了圖案化的新型仿生光催化材料面板(圖2)，獲得Cu2O(產(chǎn)氫光催化材料)與BiVO4(產(chǎn)氧光催化材料)兩種半導(dǎo)體間隔交替分布的條帶圖案。通過匹配半導(dǎo)體與導(dǎo)電基體間的功函數(shù)，形成歐姆接觸促進兩者間通過導(dǎo)電基體進行Z型電荷轉(zhuǎn)移，有效抑制光生電子與空穴的發(fā)光復(fù)合，延長了光生電荷的平均壽命，并實現(xiàn)了光生電子與空穴的空間有序分離，即分別在產(chǎn)氫和產(chǎn)氧光催化材料條帶上有序富集。從而，可見光照射下有序富集的光生電子與空穴可自發(fā)裂解水，產(chǎn)生化學(xué)計量比的氫氣和氧氣。該圖案化光催化材料面板技術(shù)方案通用性高，易模塊化組裝，其與低成本微電子集成工藝無縫銜接，可顯著降低規(guī)?；瘧?yīng)用門檻。
 

　　論文第一作者為金屬研究所甄超博士、朱洪雷博士。所外合作者包括中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所范峰滔、陳若天研究員，山東大學(xué)鄭昭科教授，同濟大學(xué)徐曉翔教授和日本東京大學(xué)Kazunari Domen教授。
 

　　該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊等相關(guān)項目以及新基石科學(xué)基金會資助。
 

圖1. 仿生光催化材料面板與光合作用膜結(jié)構(gòu)示意圖
 

圖2. 結(jié)合微納集成技術(shù)構(gòu)筑的仿生圖案化光催化材料面板