光电催化分解水产氢系统

近日，华南师范大学化学学院教授兰亚乾团队首次报道了水中绿色合成双功能酞菁-卟啉共价有机框架（COFs）并成功用于电催化CO2还原耦合甲醇氧化。相关成果发表于《国家科学评论》。　　在光电催化领域，金属酞菁与卟啉分子由于表现出多种催化活性而被广泛研究。然而，如何将金属酞菁与卟啉两种功能分子有效结合，实现两者功能的耦合而进一步用于串联催化反应是一个巨大挑战。　　已有报道将酞菁与卟啉分子进行共价偶联形成功能有机分子，但均不可避免使用有毒溶剂来进行合成反应。另一方面，在电催化能源转化中，电催化CO2还原结合有机氧化是生产高附加值化学品和提高能源效率的一种有前途的策略。然而，由于缺乏合适的电催化剂，实现有效的氧化还原偶联反应仍然具有挑战性。　　为解决以上问题，研究人员首次发展了在纯水相中的绿色水热合成法将金属酞菁与卟啉共价组装合成聚酰亚胺连接的共价有机框架材料NiPc-2HPor COF，并且通过进一步金属后修饰合成了氧化还原双功能NiPc-NiPor COF。　　更重要的是，由于NiPc-NiPor COF的高导电性和明确定义的双活性位点，在双活性位点的协同作用下，所合成的酞菁-卟啉COFs实现了同时高效CO2还原与甲醇氧化反应，且在低电压（2.1 V）下具有显著的长期稳定性。此外，原位红外实验证据和密度泛函理论计算表明，ECR过程主要在NiPor的辅助下在NiPc单元上进行，而MOR更倾向于NiPor与NiPc的结合。NiPc-NiPor COF的两个单元协同促进耦合氧化还原反应。　　该研究工作首次实现了绿色化学合成酞菁-卟啉共价有机框架用于耦合多相催化的双功能催化剂的设计，为晶体材料多功能催化剂开辟了新的视野。

近日，湖北工业大学理学院（芯片产业学院）程正旺等提出了一种基于匹配带隙和功函数的p-n异质结，不仅促进了可见光吸收，还极大地提高了光生载流子的分离与迁移效率，实现了高效、稳定的PEC可见光析氢。今天小编为大家分享该研究成果，希望对您的科学研究或工业生产带来一些灵感和启发。应用方向：清洁能源，光电催化，分解水制氢，异质结正文：光电催化分解水制氢（H2）为解决能源消耗与环境污染问题提供了重要的解决方案，在实现我国“双碳”战略目标方面具有重要意义。然而，受限于单一催化剂有限的光吸收能力和光生电子-空穴对的复合，导致可见光条件下的光电催化效率并不理想。因此，如何设计和合成高效、稳定的分解水光电催化剂成为领域内的核心课题。针对上述科学问题，湖北工业大学理学院（芯片产业学院）程正旺等提出了一种基于匹配带隙和功函数的p-n异质结，不仅促进了可见光吸收，还极大地提高了光生载流子的分离与迁移效率，实现了高效、稳定的PEC可见光析氢。该工作以“Construction of nanorod-shaped TiO2/Cu3N p–n heterojunction for efficient visible-light hydrogen evolution”为题发表在国际期刊Journal of Materials Chemistry C上。程正旺等采用磁控溅射法，将p型Cu3N薄膜沉积到一维 n型TiO2纳米阵列上，形成了TiO2/Cu3N p-n异质结。得益于合适的能隙和内建电场的协同作用，形成的TiO2/Cu3N p-n异质结不仅将带隙从TiO2的3.09 eV减小到TiO2/Cu3N的2.01 eV，光响应范围也从从紫外区扩展到可见光区域。此外，光生电子-空穴对的分离和转移效率明显改善，平均载流子寿命延长了3倍。进一步地，在 420 nm可见光照射和-0.97 V vs. RHE（可逆氢电极）条件下，光电流密度从TiO2的-0.33 mA/cm2提高到TiO2/Cu3N的-4.66 mA/cm2，提高了约14.12倍。此外，构建的TiO2/Cu3N异质结表现出稳定的PEC析氢性能，相应的可见光分解水产氢速率达到6.98 µ mol/cm2/h。以上结果表明：构建具有合适带隙和功函数的p-n异质结是提高TiO2光电催化性能的一种有效途径，并且有望应用于其他光电催化剂。本项研究为设计和制备高效、低成本、无毒的PEC分解水电极和其他光电子化学应用提供了一条有效的途径。图1. 样品制备流程示意图。图2. TiO2/Cu3N样品的X射线衍射图谱（XRD）。图3. TiO2 (a)，Cu3N (b)和TiO2/Cu3N的莫特-肖特基曲线（MS）；TiO2/Cu3N界面的TEM图像；理论计算的平面平均电势，(e) TiO2(101)，(f) Cu3N(110)。图4. 直接带隙TiO2、TiO2/Cu3N ((αhν)2~hν)和间接带隙Cu3N ((αhν)1/2~hν)的紫外-可见漫反射光谱(DRS) (a)和相应的Tauc图(b)。图5. (a) 稳态光致荧光(PL)光谱，(b) 时间分辨PL (TRPL)光谱。图6. (a) TiO2、Cu3N及TiO2/Cu3N的表面光电压谱（SPV）；(b) 在-0.97 V vs. RHE和 420 nm光照射条件下，TiO2、Cu3N及TiO2/Cu3N的光电流密度-电压曲线；(c) 电化学阻抗Nyquist图。图7. (a) TiO2/Cu3N在 420 nm可见光照射下PEC产氢H2的循环稳定性。(b)本研究中TiO2/Cu3N的平均产氢速率与报道的TiO2基异质结结果的比较。图8. 420 nm可见光照射下，TiO2/Cu3N p-n异质结的光生载流子迁移与光电催化分解水析氢机理图。关于此文章的更多细节请查看原文链接：https://doi.org/10.1039/D4TC00916A 配置推荐本文中TiO2及TiO2/Cu3N发光测试使用卓立汉光公司的OmniFluo990稳态瞬态荧光光谱仪完成。OmniFluo990为模块化搭建结构，通过搭配不同的光源、检测器和各类附件，为紫外/可见/近红外发光测试提供综合解决方案，也为光电催化分解水制氢催化剂的研发提供有利工具。免责声明 北京卓立汉光仪器有限公司公众号所发布内容（含图片）来源于原作者提供或原文授权转载。文章版权、数据及所述观点归原作者原出处所有，北京卓立汉光仪器有限公司发布及转载目的在于传递更多信息及用于网络分享。 如果您认为本文存在侵权之处，请与我们联系，会第一时间及时处理。我们力求数据严谨准确， 如有任何疑问，敬请读者不吝赐教。我们也热忱欢迎您投稿并发。

近日，大连化物所催化基础国家重点实验室、太阳能研究部(DNL16)李灿院士、博士后李政和李仁贵研究员等在纳米颗粒光催化完全分解水制氢的逆反应(氢气和氧气复合生成水的反应)研究方面取得新进展，确认光催化完全分解水逆反应发生于低配位活性位点，并利用原子层沉积技术精准定点修饰抑制逆反应，从而显著提升了光催化完全分解水的性能。 　　太阳能光催化完全分解水制氢不仅具有重要的应用背景，更是基础科学领域的前沿课题。其中，光催化完全分解水体系中助催化剂表面的氢氧逆反应是该领域长期未解决的重要问题。逆反应的存在使得完全分解水光催化体系的效率很低，甚至无法实现分解水反应，是光催化完全分解水的“最后一公里”。李灿团队长期致力于光催化分解水中助催化剂及其表面的催化作用研究，取得了系列重要进展：在国际上较早提出并发展了双助催化剂概念(J. Catal.，2009；Catal. Lett.，2010；Acc. Chem. Res.，2013；Energy Environ. Sci.，2016)，并开发出单核锰水氧化催化剂，活性可媲美自然界水氧化催化剂的产氧活性(Nat. Catal.，2018)，受到学术界的广泛关注。本工作聚焦光催化完全分解水体系中助催化剂表面的氢氧逆反应问题，以典型的可见光催化完全分解水的催化剂Rh/GaN-ZnO作为研究对象，通过原子层沉积(ALD)的方式将氧化铝(Al2O3)沉积到光催化剂反应中心，可显著提升光催化全分解水的活性。研究发现，ALD沉积Al2O3可以使Rh/GaN-ZnO上的逆反应降低90%，进一步通过光谱表征结合理论模拟证明，Al2O3主要沉积在Rh纳米颗粒表面的低配位点上，揭示出Rh表面的低配位点是氢氧逆反应的主要反应位点。团队通过ALD选择性地将Al2O3沉积到Rh表面低配位点上，有效阻断了氢氧逆反应的发生，从而将Rh/GaN-ZnO上可见光催化完全分解水的量子效率从0.3%提升至7.1%。此外，本工作还发现ALD选择性沉积氧化物的策略还适用于其他贵金属助催化剂，证明了这一策略的普适性。该工作明确了光催化完全分解水中氢氧逆反应的活性位点和机制，为解决这一挑战性问题提供了一条新的普适性策略。 　　相关研究成果以“Blocking the reverse reactions of overall water splitting on a Rh/GaN–ZnO photocatalyst modified with Al2O3”为题，于近日发表在《自然—催化》(Nature Catalysis)上。该工作的共同第一作者是李政和李仁贵。该工作的理论模拟部分主要与催化基础国家重点实验室理论催化创新特区研究组(05T8组)肖建平研究员团队合作完成。上述工作得到了国家自然科学基金委人工光合成中心、国家重点研发计划等项目的支持。