近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室李燦、李仁貴等在太陽能可規(guī)?；纸馑茪浞矫嫒〉眯逻M展：率先提出并驗證了一種全新的基于粉末納米顆粒光催化劑太陽能分解水制氫的“氫農(nóng)場”策略，太陽能光催化全分解水制氫效率創(chuàng)國際較高記錄。
太陽能光催化分解水制氫可將太陽能轉(zhuǎn)化并儲存為化學(xué)能，是科學(xué)家們長期以來的夢想。光催化過程是一個跨越多個時間尺度的復(fù)雜反應(yīng)過程，涉及化學(xué)、物理、生物等一系列多學(xué)科前沿科學(xué)問題。如果能利用太陽能實現(xiàn)高效水分解制氫，不僅可緩解人類能源的問題，還有望替代化石能源，實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展和人類社會生態(tài)文明。
李燦團隊長期致力于太陽能光催化、光電催化及電催化的前沿科學(xué)問題，是國內(nèi)較早啟動太陽能光催化分解水制氫研究的團隊之一。尤其在基于粉末納米顆粒光催化劑體系的光生電荷分離等關(guān)鍵科學(xué)問題研究上取得了系列進展，先后提出異相結(jié)電荷分離機制(Angew. Chem. Int. Ed., 2008;Angew. Chem. Int. Ed., 2012)，發(fā)現(xiàn)晶面間光生電荷分離效應(yīng)(Nature Commun., 2013;Energy Environ. Sci., 2014)，發(fā)展了高對稱性半導(dǎo)體材料的光生電荷分離策略(Energy Environ. Sci., 2016)和極性誘導(dǎo)的光生電荷分離新策略(Angew. Chem. Int. Ed., 2020)，自主研發(fā)了光生電荷成像表征新技術(shù)，并確認(rèn)了晶面間光生電荷的分離(Angew. Chem. Int. Ed., 2015; Nature Energy, 2018)等，受到國際太陽能光催化界的廣泛關(guān)注。在基礎(chǔ)研究取得進展的同時，李燦團隊一直在探索太陽能分解水制氫規(guī)模化應(yīng)用的示范。
受自然光合作用原理啟發(fā)，該團隊借鑒大規(guī)模種植莊稼的做法，率先提出并驗證了基于粉末納米粒子光催化劑的太陽能規(guī)?；纸馑茪涞摹皻滢r(nóng)場”(Hydrogen Farm Project, HFP)策略，是一種不同于國際上報道的全新策略?！皻滢r(nóng)場”策略，是借鑒自然光合作用Z-機制將光系統(tǒng)II和光系統(tǒng)I在空間上分離以及光反應(yīng)和暗反應(yīng)在空間上分離的原理，將分解水反應(yīng)中的水氧化反應(yīng)與質(zhì)子還原反應(yīng)在空間上分離，避免了氫氣和氧氣的逆反應(yīng)、規(guī)避了產(chǎn)物氫氣和氧氣分離等問題，水氧化反應(yīng)器開放，原理上解決了大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。實現(xiàn)“氫農(nóng)場”策略需要解決兩個關(guān)鍵問題，一是如何實現(xiàn)高效水氧化光催化過程，二是如何抑制納米光催化劑表面生成的氧化態(tài)和還原態(tài)物種之間的反應(yīng)(即逆反應(yīng))。
最近，研究團隊基于晶面間光生電荷分離原理，通過精確調(diào)控釩酸鉍光催化劑氧化和還原反應(yīng)晶面的暴露比例，優(yōu)化光催化水氧化反應(yīng)性能，在Fe3+/Fe2+離子對作為儲能介質(zhì)的條件下，可見光下光催化水氧化量子效率達到60%以上，“氫農(nóng)場”體系的太陽能到氫能轉(zhuǎn)化效率超過1.8%，是目前國際上報道的基于粉末納米顆粒光催化分解水體系太陽能制氫效率的較高值。同時，利用催化劑不同暴露晶面之間的電荷分離特性，使Fe3+/Fe2+離子對之間的逆反應(yīng)得到抑制。并利用釩酸鉍光催化劑進行了戶外太陽光照射條件下的試驗，驗證了“氫農(nóng)場”策略的可行性。該工作展示了利用基礎(chǔ)研究成果為應(yīng)用示范提供科學(xué)基礎(chǔ)的一個示例。
研究成果發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angew. Chem. Int. Ed.)上，第一作者是博士生趙越。該工作得到國家自然科學(xué)基金項目、國家科技部“973”項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項A“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”等的資助。
449717568
74