李灿、施晶莹等揭示光电催化分解水中空穴储存层的水合结构

xibei

近日，我所太阳能研究部李灿院士、施晶莹研究员团队在太阳能光电催化分解水制氢研究方面取得新进展，揭示了保护氮化钽（Ta3N5）光阳极的空穴储存层——水铁矿的水合结构与其空穴储存功能之间的构效关系。

　　光电催化分解水是利用太阳能获取绿色氢能的理想途径之一。光阳极上水氧化产氧半反应是太阳能光电催化分解水的决速步骤，其反应过程动力学缓慢，且宽光谱响应半导体吸光材料极易因光生空穴氧化而被破坏。针对这一难题，在前期研究工作中，该团队发现并提出了“空穴储存层”的新概念及新策略，以水铁矿（Ferrihydrite，Fh）作为一种典型的“空穴储存层”材料，构建了基于窄带隙半导体Ta3N5的高效稳定的光阳极体系（Angew. Chem. Int. Ed.，2014；Energy Environ. Sci.，2016；Chem. Eur. J.，2015）。空穴储存层可及时、有效地转移吸光半导体氮化钽中产生的光生空穴，从而抑制其光腐蚀，实现稳定的光电催化水氧化反应；通过其与氧化钛等修饰层的联用，使得氮化钽基光阳极产生接近理论极限的水氧化光电流，创造并多年保持同类体系中的最高太阳能转换效率。然而，作为“空穴储存层”的水铁矿的微观结构尚不清楚。
　　本工作通过Fh热处理脱水过程以及系统的结构表征分析，发现水铁矿内部拥有三类含化学结晶水的铁氧簇结构单元，伴随着焙烧处理下的水合结构演化，其在氮化钽光阳极体系中的“空穴储存”功能被逐渐调变（弱化），进一步利用精确升温失重测定、XRD、XPS、穆斯堡尔谱等技术进行深入研究，确定结晶水对于维持水铁矿结构和空穴储存功能具有重要作用，并揭示了水铁矿的空穴储存能力与其水合结构的构效关系，为光电极界面修饰层的理性设计提供了重要的参考。
　　相关结果发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）上，并被选为热点文章（Hot Paper）。该工作得到国家自然科学基金委“人工光合成科学中心”项目、科技部重点研发项目、中科院B类先导专项“能源化学转化的本质与调控”等项目的资助。（文/图 王鹏鹏、施晶莹）


       文章来源：大连化物所
       李灿，男，汉族，1960年1月生于甘肃省。理学博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师。2003年当选中国科学院院士，2005年当选第三世界科学院院士，2008年当选欧洲人文和自然科学院外籍院士、英国皇家化学学会会士。任中国科学院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室（筹）主任，中法催化联合实验室中方主任，英国石油公司与中国科学院大连化学物理研究所能源创新实验室主任，兼任中国科学技术大学材料与化学学院院长。主要从事催化材料、催化反应和催化光谱表征方面的研究，研制了具有自主知识产权的国内第一台用于催化材料研究的紫外共振拉曼光谱仪。
       施晶莹，大连化物所研究员。2006年毕业于浙江大学，获理学博士学位。同年进入中国科学院大连化学物理研究所、催化基础国家重点实验室从事博士后科研工作。2008年博士后出站后留所工作。现为大连化物所研究员。长期致力于太阳能的光-化学转化获取太阳燃料的研究，侧重于利用光电催化过程研究能源的高效转化和利用，设计、发展太阳能科学利用的新方式和新器件。目前研究方向主要有：(1) 光电催化分解水；(2) 太阳能转化储存一体化过程与装置；(3) 电催化分解水的材料与过程。