光电催化(PEC)分解水又有新突破

一、背景

随着全球能源使用量的增加，缓解人为气候变化需要寻求碳中性能源，以减少对化石燃料的依赖。通过使用颗粒光催化剂的太阳能光驱动的水分解是大规模生产可储存和清洁的H2燃料的有前途和可持续的范例。为了提高太阳能转换效率，将光催化剂与助催化剂结合是一种广泛采用的方法，不仅可以促进电荷分离和传输，还可以提供反应位点并加速水分解反应。光电催化(PEC)分解水制氢是利用太阳能制备燃料的理想途径之一，它利用吸光电极材料，加少量电能辅助，就能实现光驱动的水分解。氢气、氧气分别在阴阳两极析出，避免了逆反应和爆炸危险，也不需要氢气氧气后续的分离。与传统的化石燃料裂解或重整的经典路线相比，可再生资源特别是太阳能制氢在生命周期碳排放和环境可持续性方面具有相当大的优势。

本文整理了光电催化(PEC)分解水的最新进展，以供读者快速阅读，突破自我。

二、文献分析

1、双极电荷收集结构实现铁电光催化剂的整体水分解

第一作者：刘永

通讯作者：李灿、范峰滔

通讯单位：中国科学院大连化学物理研究所，大连清洁能源国家实验室，催化国家重点实验室

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32002-y

发表日期：2022年7月22日

李灿院士研究组通过在Au/BTO光催化原型中收集和利用热化长度内的光生电荷，可以在铁电光催化剂中实现光催化水分解。KPFM揭示了Au/BTO界面处BTO热化长度内光生电荷的浓度。测得的热化长度是在纳米级上制造高效光催化和光伏器件的必不可少的实验处方。通过这种结构设计，构建的铁电光催化剂可以进行光催化整体水分解。实验设计为设计用于高效太阳能转换的铁电光催化剂开辟了范例。

2、超细助催化剂合金纳米粒子中的双金属协同作用用于高效光催化分解水

第一作者：Christian Mark Pelicano

通讯作者：Toshiharu Teranishi、Masaki Saruyama

通讯单位：材料和化学测量研究所日本国家计量研究所 (NMIJ) 国家先进工业科学技术研究所 (AIST)

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202202987.

发表日期：2022年5月19日

Toshiharu Teranish教授团队发现胶体合成的 PtRu 合金纳米颗粒可以作为 SrTiO3:Al 光催化剂上的 HER 助催化剂。在电化学测量的基础上，Ru 插入 Pt NPs 加速了 HER 动力学，同时抑制了不需要的 ORR。正如Toshiharu Teranish教授团队预期的那样，在存在 Cr2O3 和 CoOOH 的情况下，PtRu 合金 NP 助催化剂比其 Pt 对应物更能促进 SrTiO3:Al 的析氢活性。TDR 光谱测量表明，将 Ru 与 Pt 合金化可增强从 SrTiO3:Al 捕获光激发电子的能力，这有助于提高光催化效率。负载较小 PtRu 助催化剂的 SrTiO3:Al 表现出更高的活性，突出了 NP 吸附的优势。超细 PtRu NPs (1.4 nm) 与 SrTiO3:Al 的杂交导致在 365 nm 处显着的 AQY 为 65%。这些发现强调了从电催化到光催化的信息传递的重要性，从而能够合理设计用于大规模光催化整体水分解的高效且具有成本效益的助催化剂。

3、一种调节铬酸铅光阳极成核和生长的双配体策略用于光电化学水分解

第一作者：周洪鹏

通讯作者：李灿、李仁贵

通讯单位：中国科学院大连化学物理研究所，大连清洁能源国家实验室，催化国家重点实验室

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202110610

发表日期：2022年6月8日

李灿院士团队通过采用乙酰丙酮 (Acac) 和聚乙二醇 (PEG) 双配体来调控铬酸铅 (PbCrO4) 光阳极的成核和晶体生长，从而开发出一种分子配位工程策略，从而形成高具有大晶粒尺寸、良好缝合的晶界和减少氧空位缺陷的优质薄膜。通过这些努力，有效地抑制了非辐射电荷复合，使其电荷分离效率从 47% 提高到 90%。在使用 Co-Pi 助催化剂进行装饰后，PbCrO4 光阳极在 1.23 V 下实现了 3.15 mA cm-2 的光电流密度（与模拟 AM1.5G 下的 RHE 相比）和施加的偏置光子电流效率 (ABPE) 为 0.82 %。李灿院士团队的这项工作提供了一种新的策略来调节高质量光电极的成核和生长，以实现高效的 PEC 水分解。

4、空间分离的 WP 和 Co3O4 助催化剂在 ZnCdS 上光催化全水分解制氢

第一作者：郝旭强

通讯作者：靳治良、郝旭强

通讯单位：北方民族大学化学与化工学院, 宁夏太阳能化学转化技术重点实验室

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.solmat.2022.111970

发表日期：2022年9月7日

靳治良教授团队提出了一种简单的物理混合策略来加载还原助催化剂 WP 和氧化助催化剂 Co3O4 共改性 ZnCdS (WP–Co/ZCS)光催化水分解活性。双助催化剂的共改性可以高效加速光载体的分离，增强反应动力学并显着提高光催化活性。10% WP-Co/ZCS 的最大析氢速率为 21.44 mmol g-1 h-1光催化剂，比裸ZnCdS高约6.5倍，并且还获得了高光稳定性。同时，在 420 nm 处的量子效率为 27.6%，太阳能-氢转换效率 (STH) 为达到了1.57%，显着超过了许多报道的基于 ZnCdS 的光催化剂。值得注意的是，氢和氧实现了高效稳定的光催化整体水分解活性10% WP-Co/ZCS 的生成速率分别为 61 μmol g-1 h-1 和 32.5 μmol g-1 h-1。作者的这项工作为ZnCdS 纳米颗粒上设计氧化和还原双催化剂提供了新思路，以推进光催化制氢性能和实现水分解。

5、用于电催化和光催化水分解的锗掺杂钴氧化物

第一作者：郭伟奇

通讯作者：姜志

通讯单位：上海交通大学燃烧与环境技术研究中心

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acscatal.2c03730

发表日期：2022年9月19日

姜志教授团队发现钴氧化物在能源材料中作为析氧反应 (OER) 和光催化全水分解 (OWS) 反应中的析氧催化剂 (OEC) 得到广泛应用。然而，作者发现活性钴物种的性质、在这些反应中的作用以及可能的共性仍然知之甚少。因此，在电化学析氧和光催化 OWS 反应中，研究了（氧化还原惰性）锗掺杂剂对 Co3O4 纳米粒子物理化学性质的影响。掺杂后 OER 性能的显着提高归因于尖晶石 Co3O4 重组为蛇纹石 Co3Ge2(OH)5，后者在 OER 过程中转变为羟基氧化物活性相。p型 Co3Ge2(OH)5 半导体作为 OEC 与 n 型 Bi0.5Y0.5VO4 半导体的组合使后者的光催化 OWS 活性加倍，导致 H2 和 O2 产率分别为 175.7 和 90.1 μmol/h . 复合半导体的形成会在 p-n 结上产生强烈的内部电场，从而促进光生载流子的分离并提高 OWS 活性，这在替代光催化剂 Al 掺杂的 SrTiO3 中也得到了验证。在 OWS 期间没有观察到蛇纹石 Co3Ge2(OH)5 向羟基氧化物的类似转变，这表明 Ge 掺杂对于电化学 OER 与光催化 OWS 相比具有明显的优势。