太阳能制氢研究领域取得多项进展

近日，中科院大连化物所李灿院士领导的研究团队在太阳能制氢研究领域取得多项进展。不仅实现了2.5%的光催化体系世界最高太阳能制氢效率，同时还获得了稳定性最高的Ta3N5太阳能光电化学分解水体系，并在国际上首次提出光电催化空穴储存层概念，为进一步设计构筑高效稳定的太阳能转化体系提供了新的思路和策略。

　　

利用取之不尽的太阳能作为制氢的一次能源是理想的能源发展方向。科学家们通过光催化和光电催化，利用太阳能把水分解为燃料电池所必需的氢和氧。然而，过去几十年研究的光催化材料只能利用占太阳光总能量4%的紫外光，使太阳能制氢的广泛应用受到极大限制。如何发展稳定的可见光光催化材料，使之能充分利用占太阳能总能量43%的可见光，成为太阳能分解水制氢技术的一个关键。

　　

在国家自然科学基金重大项目和科技部“973”项目的资助下，通过多年的持续攻关，李灿研究团队在光催化和光电催化分解水的可见光研究中取得了重要进展。他们利用助催化剂修饰的BiVO4作为光阳极，在最小偏压下实现了可见光驱动的全分解水反应。并将BiVO4光阳极与硅叠层光阴极耦合，使太阳能制氢效率达到2.5%以上，这是目前该体系的世界最高效率。

　　

在进行太阳能光催化分解水研究的同时，该团队也启动了太阳能光电催化分解水的研究。要提高太阳能制氢效率，必须发展宽光谱捕光的窄带隙半导体光阳极，其中具有代表性的是窄带隙半导体Ta3N5材料，其太阳能制氢理论效率可达15%以上，是目前国际太阳能光电催化制氢领域的主攻体系之一。但这一体系易受光腐蚀，解决其稳定性成为该领域的挑战课题。在这项研究工作中，大化所科研人员在光阳极表面组装水铁石(Fh)层、保持光电催化水氧化高效率前提下，发现其体系稳定性可由几分钟延长至数小时，甚至十余小时后也未见明显衰退，这是目前世界上报道的稳定性最高的Ta3N5分解水光阳极体系。

　　

科研人员进一步探索发现，Ta3N5表面Fh层具有电容的空穴储存能力，可使半导体Ta3N5材料免于光腐蚀氧化，从而使光阳极的稳定性数量级式提高。藉此，李灿院士领导的太阳能研究团队在国际上提出了光电催化空穴储存层概念，为进一步设计构筑高效稳定的太阳能转化体系提供了新的思路和策略。