吴骊珠:半导体量子点在人工光合成领域的应用

hongxiang

自然界绿色植物等光合生物通过光合作用将太阳能转换为化学能。因此，模拟光合作用光系统II和光系统I的结构和功能，设计新型的光敏剂和催化剂结构基元，实现高效太阳能的分解水制氢是将太阳能转换为化学能的理想途径。早在上个世纪七八十年代，科研工作者对于人工光合作用的研究（以有机染料和块体半导体材料为主）就已经在世界范围内达到高潮，但是由于该类体系转换效率低下、稳定性不高等劣势，至今未能对该技术实现大规模的应用。随着本世纪半导体纳米材料技术的迅猛发展，纳米材料展现的一系列应用前景再次将人工光合作用推上了研究的新热潮。近年来，基于优异的可见光响应性质、多激子生成性能以及丰富的表面特性，半导体量子点逐渐成为人工光合领域的新选择，并且取得了一系列的重要进展。

近日，中国科学院理化技术研究所超分子光化学实验室（佟振合院士和吴骊珠研究员）为共同通讯作者）在国际顶级期刊Nature Reviews Chemistry 上发表了一篇关于半导体量子点在人工光合成领域应用的综述文章，题目为“Semiconducting quantum dots for artificial photosynthesis”。该综述从半导体量子点光分解水原理入手，分别从量子点的尺寸效应、量子点异质结和量子点表面特性等三个方面剖析了影响半导体量子点光解水制氢效率的主要因素，最后具体阐述了该领域的研究者通过一系列手段（如尺寸优化、结构改性和表面修饰）对量子点进行调控，从而促进量子点的太阳光捕获效率、电荷分离效率以及量子点到催化中心的电荷迁移效率，并最终基于半导体量子点构筑了高效、稳定的人工光合成制氢体系。

作者系统阐述了通过尺寸优化、结构设计和表面修饰等手段提高基于半导体量子点人工光合系统的光催化产氢机制，提出了基于半导体量子点构筑廉价、高效、稳定的人工光合成体系的新思路，并展望在不久的将来，人类利用太阳能生产可持续、可利用和可再生的能源将会变成现实。其主要来源于以下三点：第一，目前基于半导体量子点构筑的高效光催化产氢催化剂不含有贵金属材料，满足廉价的特点；第二，经过几十年的发展，研究人员已经能够利用水相合成方法大规模制备高质量的半导体量子点材料；第三，基于环境友好型半导体量子点构筑的人工光合成体系已经展现出可观的太阳能到化学能的转换效率。

该论文作者为：Xu-Bing Li, Chen-Ho Tung & Li-Zhu Wu

Semiconducting quantum dots for artificial photosynthesis

Nat. Rev. Chem., 2018, 2, 160, DOI: 10.1038/s41570-018-0024-8