圖案化“人工樹葉”實(shí)現(xiàn)定制太陽(yáng)能分解水制氫

圖案化“人工樹葉”實(shí)現(xiàn)定制太陽(yáng)能分解水制氫

中國(guó)科學(xué)報(bào) 沈春蕾 / 時(shí)間：2024-10-08 11:07:49

中國(guó)科學(xué)報(bào)10月2日訊：中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心研究員劉崗團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)展出仿生圖案化半導(dǎo)體光催化材料面板，實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)下水的自發(fā)裂解產(chǎn)生化學(xué)計(jì)量比的氫氣和氧氣。9月26日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)雜志》（Journal of the American Chemical Society）。

據(jù)了解，太陽(yáng)能光催化分解水制取綠氫技術(shù)在助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)方面具有較大潛力，該技術(shù)主要利用太陽(yáng)光譜中的紫外和可見(jiàn)光來(lái)驅(qū)動(dòng)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(gè)世紀(jì)的持續(xù)研究顯示，半導(dǎo)體光催化材料對(duì)占比太陽(yáng)光譜不足5%的紫外光的利用效率已近100%，而對(duì)占太陽(yáng)光譜中占比達(dá)45%的可見(jiàn)光的利用效率卻很低。究其原因是可見(jiàn)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(dòng)力不足。因此，實(shí)現(xiàn)高效可見(jiàn)光催化分解水，是太陽(yáng)能光催化分解水制氫領(lǐng)域的研究制高點(diǎn)。

研究還發(fā)現(xiàn)，自然界中植物葉子可以高效利用可見(jiàn)光進(jìn)行光合作用，是因?yàn)槿~子中進(jìn)行光合作用的類囊體膜中，間隔有序分布著兩種吸收可見(jiàn)光的光合成色素，兩者通過(guò)電荷傳遞蛋白實(shí)現(xiàn)串接，受可見(jiàn)光激發(fā)產(chǎn)生的光生電荷按照Z(yǔ)型路徑傳遞，實(shí)現(xiàn)能量疊加驅(qū)動(dòng)可見(jiàn)光下的高效光合成反應(yīng)。

劉崗團(tuán)隊(duì)的研究人員受此啟發(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“人工樹葉”，即圖案化的新型仿生光催化材料面板，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(guò)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(jìn)兩者間通過(guò)導(dǎo)電基體進(jìn)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(zhǎng)了光生電荷的平均壽命，并實(shí)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(jiàn)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(jì)量比的氫氣和氧氣。

據(jù)悉，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(wú)縫銜接，可顯著降低規(guī)?；瘧?yīng)用門檻。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.4c10807