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[材料资讯] 李灿课题组《德国应用化学》:提出太阳能规模化分解水制氢的“氢农场”新策略

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发表于 2020-3-24 16:23:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
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李灿李仁贵等在太阳能可规模化分解水制氢方面取得新进展:率先提出并验证了一种全新的基于粉末纳米颗粒光催化剂太阳能分解水制氢的“氢农场”策略。
  太阳能光催化分解水制氢可将太阳能转化并储存为化学能,是科学家们长期以来的梦想。光催化过程是一个跨越多个时间尺度的复杂反应过程,涉及化学、物理、生物等一系列多学科前沿科学问题。如果能利用太阳能实现高效水分解制氢,不仅可缓解人类能源的问题,还有望替代化石能源,实现能源可持续发展和人类社会生态文明。
  李灿团队长期致力于太阳能光催化、光电催化及电催化的前沿科学问题,是国内最早启动太阳能光催化分解水制氢研究的团队之一。尤其在基于粉末纳米颗粒光催化剂体系的光生电荷分离等关键科学问题研究上取得了系列进展,先后提出异相结电荷分离机制(Angew. Chem. Int. Ed., 2008;Angew. Chem. Int. Ed., 2012),发现晶面间光生电荷分离效应(Nature Commun., 2013;Energy Environ. Sci., 2014),发展了高对称性半导体材料的光生电荷分离策略(Energy Environ. Sci., 2016)和极性诱导的光生电荷分离新策略(Angew. Chem. Int. Ed., 2020),自主研发了光生电荷成像表征新技术,并确认了晶面间光生电荷的分离(Angew. Chem. Int. Ed., 2015; Nature Energy, 2018)等,受到国际太阳能光催化界的广泛关注。在基础研究取得进展的同时,李灿团队一直在探索太阳能分解水制氢规模化应用的示范。

太阳能规模化分解水制氢

太阳能规模化分解水制氢
  受自然光合作用原理启发,该团队借鉴大规模种植庄稼的做法,率先提出并验证了基于粉末纳米粒子光催化剂的太阳能规模化分解水制氢的“氢农场”(Hydrogen Farm Project, HFP)策略,是一种不同于国际上报道的全新策略。“氢农场”策略,是借鉴自然光合作用Z-机制将光系统II和光系统I在空间上分离以及光反应和暗反应在空间上分离的原理,将分解水反应中的水氧化反应与质子还原反应在空间上分离,避免了氢气和氧气的逆反应、规避了产物氢气和氧气分离等问题,水氧化反应器开放,原理上解决了大规模应用的技术瓶颈。实现“氢农场”策略需要解决两个关键问题,一是如何实现高效水氧化光催化过程,二是如何抑制纳米光催化剂表面生成的氧化态和还原态物种之间的反应(即逆反应)。
  最近,研究团队基于晶面间光生电荷分离原理,通过精确调控钒酸铋光催化剂氧化和还原反应晶面的暴露比例,优化光催化水氧化反应性能,在Fe3+/Fe2+离子对作为储能介质的条件下,可见光下光催化水氧化量子效率达到60%以上,“氢农场”体系的太阳能到氢能转化效率超过1.8%,是目前国际上报道的基于粉末纳米颗粒光催化分解水体系太阳能制氢效率的最高值。同时,利用催化剂不同暴露晶面之间的电荷分离特性,使Fe3+/Fe2+离子对之间的逆反应得到抑制。并利用钒酸铋光催化剂进行了户外太阳光照射条件下的试验,验证了“氢农场”策略的可行性。该工作展示了利用基础研究成果为应用示范提供科学基础的一个示例。
  研究成果发表在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)上,第一作者是博士生赵越。该工作得到国家自然科学基金项目、国家科技部“973”项目、中科院战略性先导科技专项A“变革性洁净能源关键技术与示范”等的资助。
       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。


      李仁贵,中国科学院大连化学物理研究所研究员,博士生导师。于2009年于厦门大学获得学士学位,2014年于中国科学院大连化学物理研究所取得博士学位,博士期间曾赴日本东京大学K.Domen研究组进行短期的合作交流。博士毕业后申请中国科学院大连化学物理研究所“破格选拔优秀毕业生”计划,被聘为青年人才、副研究员加入催化基础国家重点实验室工作,从事太阳能光催化转化相关研究2015年被聘为硕士研究生导师,2016年入选中国科学院“青年创新促进会”会员,2018年破格晋升为研究员。2017年起任洁净能源国家实验室(筹)微纳光电材料及光催化研究组(DNL1608)课题组长。在Nature Commun., Energy Environ. Sci.,Adv. Energy Mater., Eur. Chem. J., Sci. Rep.等学术期刊发表论文20余篇,发表论文总引用1800余次。 [2]  曾受邀在关于人工光合成的Faraday Discussions 会议、全国催化大会、全国光催化与光化学学术会议以及中国科学院学部论坛-“光催化分解水”科学与技术前沿论坛做邀请报告或主旨报告等。荣获“中国催化新秀奖“(2017)、国际催化大会“青年科学家奖”(2016)、“中国科学院优秀博士论文”(2015)、“中国科学院优秀毕业生” (2014)、“中国百篇最具影响力国际学术论文”(2013)、“辽宁省自然科学学术成果奖特等奖”(2013)等。 作为项目负责人承担国家自然科学基金委“面上基金”及“青年科学基金”等项目,作为项目骨干参与973项目、基金委“重点项目群”等。
        

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