太陽能制氫取得突破性進展

光催化效率首達2.5%，空穴儲存層概念提供光電催化新思路

　　本報訊（記者陶加）近日，中科院大連化物所李燦院士領導的研究團隊在太陽能制氫研究領域取得多項進展。不僅實現了2.5%的光催化體系世界最高太陽能制氫效率，同時還獲得了穩定性最高的Ta3N5太陽能光電化學分解水體系，并在國際上首次提出光電催化空穴儲存層概念，為進一步設計構筑高效穩定的太陽能轉化體系提供了新的思路和策略。

　　利用取之不盡的太陽能作為制氫的一次能源是理想的能源發展方向。科學家們通過光催化和光電催化，利用太陽能把水分解為燃料電池所必需的氫和氧。然而，過去幾十年研究的光催化材料只能利用占太陽光總能量4％的紫外光，使太陽能制氫的廣泛應用受到極大限制。如何發展穩定的可見光光催化材料，使之能充分利用占太陽能總能量43%的可見光，成為太陽能分解水制氫技術的一個關鍵。

　　在國家自然科學基金重大項目和科技部“973”項目的資助下，通過多年的持續攻關，李燦研究團隊在光催化和光電催化分解水的可見光研究中取得了重要進展。他們利用助催化劑修飾的BiVO4作為光陽極，在最小偏壓下實現了可見光驅動的全分解水反應。并將BiVO4光陽極與硅疊層光陰極耦合，使太陽能制氫效率達到2.5%以上，這是目前該體系的世界最高效率。

　　在進行太陽能光催化分解水研究的同時，該團隊也啟動了太陽能光電催化分解水的研究。要提高太陽能制氫效率，必須發展寬光譜捕光的窄帶隙半導體光陽極，其中具有代表性的是窄帶隙半導體Ta3N5材料，其太陽能制氫理論效率可達15%以上，是目前國際太陽能光電催化制氫領域的主攻體系之一。

　　但這一體系易受光腐蝕，解決其穩定性成為該領域的挑戰課題。在這項研究工作中，大化所科研人員在光陽極表面組裝水鐵石（Fh）層、保持光電催化水氧化高效率前提下，發現其體系穩定性可由幾分鐘延長至數小時，甚至十余小時后也未見明顯衰退，這是目前世界上報道的穩定性最高的Ta3N5分解水光陽極體系。

　　科研人員進一步探索發現，Ta3N5表面Fh層具有電容的空穴儲存能力，可使半導體Ta3N5材料免于光腐蝕氧化，從而使光陽極的穩定性數量級式提高。藉此，李燦院士領導的太陽能研究團隊在國際上提出了光電催化空穴儲存層概念，為進一步設計構筑高效穩定的太陽能轉化體系提供了新的思路和策略。

來源：中國化工報

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