大連化物所李燦團(tuán)隊(duì)受自然光合作用Z機(jī)制的啟發(fā)，實(shí)現(xiàn)了高效光電催化全分解水過(guò)程

近日，中國(guó)科學(xué)院院士、中科院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、太陽(yáng)能研究部研究員李燦團(tuán)隊(duì)在光電催化分解水制氫方面取得新進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)受自然光合作用Z機(jī)制的啟發(fā)，實(shí)現(xiàn)了高效光電催化全分解水過(guò)程，該過(guò)程的分解水制氫效率達(dá)4.3%，是目前文獻(xiàn)報(bào)道的最高效率。

前期，李燦團(tuán)隊(duì)通過(guò)模擬自然光系統(tǒng)II中關(guān)鍵組分的重要功能，構(gòu)筑了高效的光電催化水氧化體系（J. Am. Chem. Soc.，2018；Adv. Mater.，2019），發(fā)現(xiàn)部分氧化的石墨烯（pGO）可作為捕光材料與水氧化催化劑之間的電荷傳輸媒介，其功能類(lèi)似于自然光系統(tǒng)II中酪氨酸（Tyr）的作用。

研究中，團(tuán)隊(duì)基于自然光合作用的原理，采用多媒介調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)了由自然光合作用Z機(jī)制啟發(fā)的高效光電催化全分解水過(guò)程。團(tuán)隊(duì)通過(guò)將無(wú)機(jī)氧化物基光陽(yáng)極（BiVO₄），有機(jī)聚合物基光陰極（PBDB-T:ITIC:PC71BM）與多個(gè)電荷傳輸媒介相耦合，組裝了一個(gè)高效的無(wú)偏壓全分解水光電化學(xué)池。研究發(fā)現(xiàn)，該體系中有機(jī)聚合物的離散能級(jí)特性使得有機(jī)光陰極和無(wú)機(jī)光陽(yáng)極的光譜吸收具有較好的互補(bǔ)性，極大提高了太陽(yáng)能的利用率。此外，該體系在捕光材料和電子受體/供體之間構(gòu)建了一個(gè)包含多個(gè)電荷傳輸媒介的仿生電荷傳輸鏈。在電化學(xué)電位梯度的驅(qū)動(dòng)下，光生電子通過(guò)這些電荷傳輸媒介有效轉(zhuǎn)移，提高了電荷傳輸速率并降低了電荷復(fù)合速率，實(shí)現(xiàn)了高效的電荷分離和傳輸。因而，太陽(yáng)能-氫氣（STH）轉(zhuǎn)換效率達(dá)到4.3%。該研究通過(guò)使用具有匹配能級(jí)的多媒介調(diào)控的仿生策略，為高效人工光合體系的合理設(shè)計(jì)和組裝提供了新思路和有效方法。

相關(guān)研究成果以Unassisted Photoelectrochemical Cell with Multimediator Modulation for Solar Water Splitting Exceeding 4% Solar-to-Hydrogen Efficiency為題，發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委“人工光合成”基礎(chǔ)科學(xué)中心、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)（B類(lèi)）“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”等的資助。