圖案化“人工樹葉”實現定制太陽能分解水制氫

圖案化“人工樹葉”實現定制太陽能分解水制氫

中國科學報 沈春蕾 / 時間：2024-10-08 11:07:49

中國科學報10月2日訊：中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心研究員劉崗團隊與國內外研究團隊合作，發(fā)展出仿生圖案化半導體光催化材料面板，實現可見光驅動下水的自發(fā)裂解產生化學計量比的氫氣和氧氣。9月26日，相關研究成果發(fā)表于《美國化學會雜志》（Journal of the American Chemical Society）。

據了解，太陽能光催化分解水制取綠氫技術在助力實現“雙碳”戰(zhàn)略目標方面具有較大潛力，該技術主要利用太陽光譜中的紫外和可見光來驅動半導體光催化材料，以滿足水分解所需的能量要求。其中，發(fā)展高效的半導體光催化材料是該技術走向應用的關鍵。

經歷近半個世紀的持續(xù)研究顯示，半導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)窄帶隙半導體產生的光生電子與空穴誘發(fā)水分解反應的驅動力不足。因此，實現高效可見光催化分解水，是太陽能光催化分解水制氫領域的研究制高點。

研究還發(fā)現，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類囊體膜中，間隔有序分布著兩種吸收可見光的光合成色素，兩者通過電荷傳遞蛋白實現串接，受可見光激發(fā)產生的光生電荷按照Z型路徑傳遞，實現能量疊加驅動可見光下的高效光合成反應。

劉崗團隊的研究人員受此啟發(fā)，結合微納集成工藝，在氟摻雜氧化錫（FTO）透明導電玻璃上創(chuàng)制了“人工樹葉”，即圖案化的新型仿生光催化材料面板，獲得Cu2O（產氫光催化材料）與BiVO4（產氧光催化材料）兩種半導體間隔交替分布的條帶圖案。通過匹配半導體與導電基體間的功函數，形成歐姆接觸促進兩者間通過導電基體進行Z型電荷轉移，有效抑制光生電子與空穴的發(fā)光復合，延長了光生電荷的平均壽命，并實現了光生電子與空穴的空間有序分離，即分別在產氫和產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，產生化學計量比的氫氣和氧氣。

據悉，該圖案化光催化材料面板技術方案通用性高，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瞄T檻。

相關論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.4c10807