[JACS] 李灿院士：超4%的太阳能制氢效率！

通讯作者：李灿院士

通讯单位：中国科学院大连化学物理研究所

光电化学（PEC）水分解（OWS）制氢是一种将太阳光和水转化为化学燃料的可持续方式，通过在空间和功能上将两种光的吸收和催化功能解耦来更有效地利用太阳能。目前，大多数用于OWS的PEC电池是通过耦合两个无机半导体光电电极来构建的。然而，重叠的短波长光吸收（λ<500 nm）导致性能不理想。无机氧化物和有机聚合物基半导体的组合可以产生互补的光吸收，因为聚合物的光吸收范围可以通过改变聚合物分子来调节。然而，报告的无机-有机杂化PEC电池的太阳能制氢（STH）转换效率非常低（<1.0%）。降低krec和增加ktr是提高PEC性能的关键点。

基于此，中国科学院大连化学物理研究所李灿院士课题组通过将基于无机金属氧化物的光电阳极和基于有机聚合物的光电阴极与有效的电荷转移介质相结合，组装了用于OWS的无辅助PEC电池。该系统表现出高STH转换效率（4.3%）。相关工作以"Unassisted Photoelectrochemical Cell with Multimediator Modulation for Solar Water Splitting Exceeding 4% Solar-to-Hydrogen Efficiency"为题发表在Journal of the American Chemical Society上。

图1.（a）Co4O4/pGO/BiVO4/SnOx光阳极的相应的EDS元素mapping；（b）I-E曲线；（c）电化学阻抗谱（EIS），插图为等效电路；（d）电荷转移和（e）电荷复合的速率常数与电位曲线；（f）BiVO4、Co4O4/BiVO4、Co4O4/pGO/BiVO4和Co4O4/pGO/BiVO4/SnOx光阳极在1.0 M KBi缓冲液（pH=9.0）中的电荷转移效率。

在该系统中，对于光电阳极，采用BiVO4半导体作为光收集器，采用新的羧酸盐改性的Co立方烷作为析氧催化剂。研究人员发现部分氧化的石墨烯（pGO）和SnOx可以作为电荷转移介质。同时，通过使用有机聚合物半导体PBDB-T:ITIC:PC71BM用于光收集（500-800 nm）和Pt作为析氢催化剂构建了高效的光电阴极，CuOx和TiOx被充电转移中介。

图2.（a）PIP薄膜的原子力显微镜和TiOx/PIP/CuOx/FTO的SEM；（b）不同光电阴极在0.1 M H2SO4水溶液（pH=1.0）中的电流-电位曲线；（c）在0.1 M H2SO4水溶液中，0.3 Vvs RHE下的Nyquist图。插图：用于拟合阻抗数据的等效电路；（d）ktr、（e）krec和（f）不同光电阴极的电荷转移效率与电位曲线。

图3.用于太阳能整体水分解的无辅助PEC装置：（a）PEC的示意图，其中Co4O4/pGO/BiVO4/SnOx光电阳极（前）通过线路连接到Pt/TiOx/PIP/CuOx光电阴极（后）；（b）BiVO4和PIP作为光捕获半导体的紫外-可见光谱；（c）基于BiVO4的集成光电阳极和基于PIP的光电阴极的示意图。

有趣的是，由于互补的光吸收和高效的电荷转移介质，集成的PEC系统有效工作，表现出前所未有的高STH转换效率，双光电极OWS为4.3%。这项工作实现了一个合理的设计方案，可用于在太阳能燃料生产的人工光合作用系统中构建有效的电荷转移链。

参考文献：

Sheng Ye, Wenwen Shi, Yong Liu, Dongfeng Li, HangYin, Haibo Chi, Yaling Luo, Na Ta, Fengtao Fan, Xiuli Wang, Can Li, Unassisted Photoelectrochemical Cell with Multimediator Modulation for Solar Water Splitting Exceeding 4% Solar-to-Hydrogen Efficiency, J. Am. Chem. Soc. 2021, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c00802.