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新能源化工团队在光电化学储能领域取得重要研究进展
发布时间:2022-12-31    

澳门一沙金网址娱乐网站讯:将太阳能转化为化学能,不仅能促进可再生能源的存储,还能实现能源小分子(二氧化碳、水等)的高效利用,是“双碳”领域重要的学术前沿。澳门一沙金网址娱乐网站新能源化工团队在光电化学储能领域领域深耕多年,近期该团队又在人工光合成领域取得新进展,实现了新型电极结构的构建,新型反应系统的设计和新反应路径的辨析。

光电水分解制氢反应模拟了自然光合作用的光反应。为了避免电解液腐蚀,需要沉积保护层(图1a)。该团队设计并制备了一种非连续的疏水有机保护层(有机硅烷),这种疏水性的保护层具有不连续的孔,可以形成薄的气体层,从而将吸光基底与电解液分离,同时金属铂助催化剂仍可以与电解液进行接触。利用该电极,水分解制氢的电流密度达到了35 mA/cm2,光电反应稳定性超过了110小时(Nature Commun. 2022, 13, 4460,图1b)。相比于水分解制氢反应,(光)电催化二氧化碳过程,则是模拟了自然界中光合作用的暗反应,从而获得含碳化合物。通过保留C-O键,可以提高还原产物中含氧产物(如甲醇、乙醇等)的选择性。该团队提出了一种增强氧原子吸附的反应路径设计策略,促进了具有氧键合构型的甲酰基中间体(*OCHO*)的生成。结合高压反应器,最终在-1.1 V vs SHE(标准氢电极)的电势和4 MPa的反应压力条件下,实现了最高80.4%的甲醇法拉第效率(Nature Commun. 2022, 13, 7768)。然而,单独的电催化过程往往需要消耗较多的电能。引入光生电压,有望最终构建无偏压的“人工树叶”。该团队展示了一种用于二氧化碳还原的光电化学流动反应器,该反应器具有背照式硅基光阳极,其中系统的光生电压达到了0.7 V,大大减少了系统的外加偏压。在此基础上,利用阴极的银基催化剂,使系统的太阳能到一氧化碳化学能的转化效率达到了2.42%(Nature Commun. 2022, 13, 7111,图1c)。延长产物的碳链,获得高价值精细化学品、医药中间体,可以进一步提高人工光合成的经济性。该团队提出了一种具有可控钯位点比率的钯/铜催化剂来实现苯甲醛偶联反应。在?0.40 V vs. RHE(可逆氢电极)电势下实现了氢化安息香(可用于合成止痛药)的高效生成,产率为85.3%,反应速率达1.27?mmol/mg/h(Nature Commun. 2022, 13, 7909,图1d)。基于在光电化学储能领域的重要贡献,该团队受邀为Accounts of Materials Research撰写封面综述论文(doi: 10.1021/accountsmr.2c00175),系统阐述其研究范式。

图1光电化学储能的最新进展。(a)光电极与人工树叶;(b)具有有机保护层的新型光电极结构示意图;(c)装配光阳极的流动光电反应器;(d)高价值长碳链有机物的可控合成。

上述研究结果深化了对光电催化反应中光生电压的产生、载流子的传输以及表面催化机理的认知。提出的对光生载流子传输行为进行精确调控的思路,以及精细调节原子排布和元素杂化模式的方法,可以扩展应用到其他半导体、金属电极材料的创制上,促进了太阳能的高效大规模存储。

(编辑 焦德芳 张铭艺)

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