马贵军课题组：微米光电极颗粒让太阳能绿色制氢更高效

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绿色氢能技术指的是是利用可再生能源制氢，是一种零碳排放的绿色新能源。基于无机半导体的光电化学(PEC)与光催化(PC)分解水制备氢气工艺可实现将太阳能转化并储存为绿色氢能的目标。PEC系统通常是将一个可还原水产氢的p型半导体电极和一个可氧化水产氧的n型半导体电极串联起来实现光照下的水分解反应，这一工艺在半导体选择和能量转化效率等方面具有优势，但电极的制备成本较高；相比较之下，PC系统采用单个半导体颗粒即可进行反应，虽然反应效率较低，但具有相对较高的光利用率以及更低的应用成本。因此，如果将一个p-n耦合的双电极系统微型化为一个光催化剂颗粒，则有望兼具PEC高活性和PC低成本的技术优势。
       近日，上海科技大学物质科学与技术学院马贵军课题组采用逐层组装工艺制备出微米尺寸的p-n耦合光电极，并成功用于光催化分解水。该工作首先采用Langmuir-Blodgett拉膜法组装出具有高晶面选择性的Mo:BiVO4（n型半导体）单颗粒基底，再溅射一层金属In作为导线和粘结剂，最后再于其上铺设一层Rh:SrTiO3（p型半导体）颗粒，在一定的温度和压力下，两种半导体可通过金属In有效粘合，最终制备出p-n耦合光电极颗粒，从而实现对传统PEC分解水反应系统的微型化（图1）。研究发现电极颗粒的PC性能与两种材料的PEC活性息息相关。

图1 电极粒子的制备流程

       在此基础上，课题组采用空间分辨的表面光电压谱来探究了光照下每种电极粒子的电荷传输路径，得益于良好的光吸收，以及有效的光生电荷分离、转化效率，电极颗粒实现了40小时稳定的可见光驱动的PC全水分解制备氢气及氧气反应，并表现出对外界压力良好的耐受性（图2）。该成果以“Facet-Oriented Assembly of Mo:BiVO4 and Rh:SrTiO3 Particles: Integration of p-n Conjugated Photo-electrochemical System in a Particle Applied to Photocatalytic Overall Water Splitting”为题在学术期刊ACS Catalysis上在线发表。

图2 电极粒子结构与可见光分解水稳定性

        这项工作开发了一种制备高效复合光催化剂的新策略，可用于PC法分解水制氢反应。这允许人们可以从提升PEC反应性能的角度来弥补PC体系低活性的固有缺点，为整合PEC和PC系统的各自优点，实现太阳能高效转化提供了独特见解。高活性，低复杂性和广泛的适用性使得电极粒子概念实现了PEC与PC 系统分解水制氢工艺的“双剑合璧”，在实现可扩展的太阳能分解水制氢方面具有广阔的前景。
         该项研究中，物质学院2020级博士研究生张博杨为第一作者，马贵军教授为通讯作者，上海科技大学为唯一完成单位。以上工作得到了国家自然科学基金委和上海科技大学启动经费的支持。
        论文链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.2c00306


        文章来源：上海科技大学
        马贵军，上海科技大学教授。2002年本科毕业于兰州大学化学化工学院，同年考入中国科学院大连化学物理研究所，师从李灿院士进行光催化降解硫化氢方面的研究，2009年初博士毕业后相继加入日本东京大学Prof. Domen 及沙特阿布杜拉国王科技大学（KAUST）Prof. Takanabe课题组从事博士后研究，2012年6月受邀返回东京大学以主任研究员身份加入“人工光合成化学过程技术研究组合”，开展氧硫化物光催化及光电化学分解水研究；2017年4月加入上海科技大学物质科学与技术学院。