α-Fe_2O_3光阳极光电化学分解水的研究进展与挑战

近年来,光电化学分解水制氢(PEC)技术为未来的能源需求提供了一个清洁、可再生的途径.赤铁矿(α-Fe_2O_3)因其带隙小(～2.1 eV)、无毒、存储量大以及光电化学稳定等优点而受到广泛关注.然而,导电性差、空穴扩散长度短(2～4 nm)、表面水氧化动力学缓慢、激发态寿命短(10×10~(-12) sec)等缺点,极大地限制了Fe_2O_3光阳极的光转换效率.我们回顾了赤铁矿光阳极用于PEC水氧化的研究进展,主要集中在促进Fe_2O_3光阳极表面的水氧化反应,体相的电荷分离和迁移以及提高光吸收能力.最后,对Fe_2O_3光阳极面临的挑战和未来的发展进行了展望.     

硫化钴装饰BiVO4光阳极提升其光电化学水分解性能

太阳能驱动的光电化学(PEC)水分解可以有效地将太阳能转化为化学能,作为解决环境排放和能源危机最具前景的途径之一,已经引起了科学界的广泛关注.PEC水分解系统由两个半反应组成:在光阳极上的析氧反应(OER)和光阴极上的析氢反应(HER).PEC系统的太阳能转化效率主要由光阳极/电解质界面的OER过程所决定,这是一个非常复杂且涉及质子偶联的多步四电子转移过程.钒酸铋(BiVO₄)是应用于PEC水分解的典型且具有实际应用前景的光阳极材料之一.然而,由于不良的表面电荷转移、电荷在光阳极/电解质结面处的表面复合以及缓慢的OER动力学等因素,导致BiVO₄的PEC性能受到严重限制.本文开发了一种新颖有效的解决方案,以低成本、高电导率和具有快速电荷转移能力的硫化钴装饰来提升BiVO₄光阳极的PEC活性,X射线多晶衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等表征,研究结果表明CoS成功装饰于BiVO₄表面.采用紫外-可见吸收光谱(UV-VisDRS)研究了BiVO₄和复合光阳极CoS/BiVO₄的光学性质,结果表明,与纯的BiVO₄相比,CoS/BiVO₄光阳极在可见光范围内光吸收能力有所增强.将制备的BiVO₄和CoS/BiVO₄光阳极应用于PEC分解水实验中,结果表明,相对于1.23 V可逆氢电极,在光照下,CoS/BiVO₄光阳极的光电流密度显著提升,可高达3.2 m Acm^-2,是纯BiVO₄的2.5倍以上.与纯BiVO₄相比,CoS/BiVO₄光阳极的起始氧化电位显示出负向偏移0.2 V,表明析氧过电势得到有效减小.入射光子转换效率(IPCE)测试结果表明,CoS/BiVO₄光阳极的入射光子转换效率在500 nm之前的可见光范围内得到明显提升,其中,CoS/BiVO₄的IPCE值在380 nm处达到最大.此外,由于CoS的装饰作用,CoS/BiVO₄光阳极的电荷注入效率和电荷分离效率均得到较大的提升,分别达到75.8%(相较于纯BiVO₄光阳极的36.7%)和79.8%(相较于纯BiVO₄光阳极的66.8%).电化学阻抗谱(EIS)测试结果表明,通过CoS的装饰,CoS/BiVO₄光阳极的界面电荷转移电阻得到有效降低,证明其界面电荷转移动力学得到有效提升.光致发光光谱测试结果表明,CoS的装饰显著提高了BiVO₄的光生电子-空穴对的分离效率,进一步证明BiVO₄表面的CoS装饰在其PEC分解水中起着非常积极的作用.本文为通过表面修饰设计应用于PEC水分解的有效的光阳极提供了新思路.     

CdS敏化对TiO2纳米薄膜电极光生电荷转移特性的影响

1991年Gratzel等[1]以敏化的TiO2纳米薄膜电极组成的液体结光电化学太阳能电池(PEC),其光电转换效率(IPCE)达到10%. 最近,选用固态电解质使这种PEC的IPCE达到33%[2].于是用有机染料[3,4]及窄带隙半导体纳米微粒[5]敏化的电极受到了广泛关注.     

基于光引发剂分解动力学调控聚合过程的研究

通过采取定期取样的办法,利用紫外分光光度仪测得不同时间下的同一时刻的丙烯酰胺的转化率和光引发剂2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮在混合物中的含量,可以发现丙烯酰胺的光聚合过程存在明显的3个阶段,根据同一时刻下丙烯酰胺的转化率对应的引发剂的含量,建立以光引发剂消耗量划分聚合过程的三阶段模型,将聚合过程分为聚合前期、聚合中期和聚合后期,通过光照强度、狭缝宽度和旋转速度研究了光引发剂的分解动力学,计算出不同条件下的引发剂的分解速率常数kd.结果表明,实验条件下光引发剂分解速率常数kd在4.00×10~(-4)s~(-1)内可调控,在聚合三阶段模型中存在最佳kd组合,即第一阶段kd为4.00×10~(-4)s~(-1),第二阶段kd为1.90×10~(-4)s~(-1),第三阶段kd为1.90×10~(-4)s~(-1),得到合成聚丙烯酰胺(PAM)的最佳自由基浓度是10.82×10~(-8)~12.56×10~(-8)mol·L~(-1)s~(-1),光引发剂的初始浓度[I]0应控制在100~110 mg/L.     

TiO2／Ti／TiO2半导体隔片光电化学电池的性能

研究了半导体隔片光电化学电池(SC-SEP)中光池溶液的pH、暗池溶液的氧化还原电对以及两池中的暗电极对电池的开路电压、光生电压、短路光电流和光伏安特性的影响。对它们的影响机制进行了初步分析。通过合理选择电池体系,SC-SEP的性能可比单隔室的光电化学电池(PEC)优越。     

仿生光(电)催化NADH再生

NADH依赖的氧化还原酶广泛应用于精细化学品合成和手性药物开发等领域。NADH作为还原当量在氧化还原酶催化过程中起着关键作用。鉴于高成本NADH的计量性使用,寻求绿色、经济和高效的NADH再生策略是该领域的研究热点和难点。近年来,光(电)催化NADH再生受到了广泛的关注。本文从模拟自然界光合作用的Z机制出发,基于光(电)催化辅酶再生过程中的光诱导电子转移、空穴捕获等关键问题,总结了NADH再生领域的相关工作,为进一步设计高效的辅酶再生体系提供了研究思路。本文最后还简介了NADH依赖的光-酶协同催化的研究进展,并对仿生光催化辅酶再生体系面临的挑战和光-酶偶联的发前景展进行了讨论与展望。     

分离式阴极光电化学检测致病菌的新方法研究

利用液相法合成了水溶性的巯基乙酸修饰的硒化铅(PbSe)量子点(QDs),并将其修饰至氧化铟锡(ITO)电极,制备了ITO/PbSe电极。Zn~(2+)可与电极上修饰的PbSe QDs进行离子交换形成ZnSe/PbSe/ZnSe量子阱(QW),促进电子-空穴分离,提高ITO/PbSe电极的阴极光电流。以抗菌肽为识别探针,开发出一种分离式光电化学(PEC)检测大肠杆菌O157∶H7(E.coli O157∶H7)的方法。该方法避免了生物分子固定在电极上所导致的PEC信号传输的延误,具有更好的检测效果。E.coli O157∶H7的检测范围为10.0～5.0×10~6 CFU/mL,检出限为4.0 CFU/mL,回收率为94.7%～104%,相对标准偏差为1.9%～2.8%。     

光电催化分解水的光阳极改性策略（英文）

光电催化分解水系统能直接将收集的电子与空穴用于分解水,将太阳能转化成了具有高能量密度的氢气,是一种集太阳能转化和储存于一体的高效绿色能源系统。光阴极和光阳极串联要求其在工作状态下两电极通过的总电流必须一致,低效率的一端将会限制整个体系的反应速度,因此对于光阳极材料的系统研究具有十分重要的意义。理论预测表明,基于部分可见光响应的半导体光阳极能带间隙计算得到的极限太阳能制氢转化效率达到了15%。但实际上由于光催化的整个过程是一个多步反应,各个步骤上发生的光生载流子的复合和损失导致了目前合成的相关电极材料的转换效率远低于理论水平。一般可以认为光催化过程包括五个步骤:光电极材料中电子的光致激发而产生电子-空穴对、电子和空穴由于能带弯曲的反向分离和传递、电子(或空穴)通过半导体-电解液界面的注入水中析氢(或析氧)、载流子的复合以及反应物和产物的传质过程。由于这些过程的进行效率与电极材料的本质特性和性能密切相关,为了评估材料性能而引入的一些效率指标往往和这几个步骤相对应。本文首先简要介绍了评价光阳极的一些效率计算以及它们与上述各个步骤的内在联系。最后,在前人和最近的研究基础上总结了几种对光阳极材料的主要提升策略,包括形貌控制、元素掺杂、异(同)质结和表面修饰等改性方法,对这些改性方法和各步骤效率之间的联系作了简单的介绍。     

高效液相色谱仪蒸发光散射检测器校准用标准物质的选择

对高效液相色谱蒸发光散射检测器(ELSD)校准用标准样品蔗糖–甲醇溶液和对乙酰氨基酚–甲醇溶液进行了研究。实验表明,用蔗糖–甲醇溶液和对乙酰氨基酚–甲醇溶液校准具有ELSD的高效液相色谱仪,其保留时间、峰面积、最低检测浓度3个参数均符合检定校准用标准物质要求。但蔗糖–甲醇溶液色谱峰的对称性差且响应值明显低于对乙酰氨基酚–甲醇溶液,因此用后者作为ELSD检校用标准物质更适合。     

BiPO4/石墨烯光电极的制备及其光电催化性能（英文）

光电催化(PEC)氧化法是一种使用半导体电极材料在光和电的共同作用下处理水中有机污染的有效方法.在PEC工艺中,施加偏压不仅可以利用电催化对有机污染物进行降解,而且在偏压作用下,光生电子-空穴对能够得到有效的分离和传输,从而大大提高了机物污染物的去除速率.尽管PEC技术已经取得了许多重要的突破,但是能量转换效率仍然无法满足实际应用.因此,开发具有优异性能,良好稳定性和低成本的光电极材料是一项具有挑战性的研究工作.本文采用两步电沉积法制备了BiPO4纳米棒/还原氧化石墨烯/FTO复合光电极(BiPO4/r GO/FTO).电镜结果表明,电沉积制得的纳米棒状磷酸铋均匀负载在石墨烯纳米片层表面.采用甲基橙为模型体系,考察了复合光电极的光电催化活性.BiPO4/r GO/FTO复合电极的光电催化降解速率是BiPO4/FTO光电极的2.8倍,显示出优良的光电催化活性.实验进一步研究了工作电压和BiPO4沉积时间对甲基橙光电降解性能的影响.最佳的BiPO4沉积时间为45 min,最佳工作电压为1.2 V.捕获实验和ESR实验表明羟基自由基(·OH)和超氧化物自由基(·O2-)是该电极的主要活性物种.BiPO4/r GO/FTO复合电极经过四次循环实验后其降解甲基橙效率保持不变,显示出高稳定性,采用光电流,交流阻抗及其荧光测试对其光催化机理进行推测.结果表明该复合光电极具有高PEC活性的主要原因是:石墨烯的引入加快了BiPO4的电子空穴的分离,拓宽了石墨烯的可见光吸收范围;同时,石墨烯诱导产生的BiPO4混合相也进一步促进了光生电子空穴的分离,提高了光电降解活性.     

Graetzel型光电化学太阳能电池(PEC)研究进展*

本文对Graetzel 型PEC 中纳米晶半导体电极的表面修饰, 纳米晶网络半导体电极溶液界面及界面电荷转移动力学特性方面的研究进行了综述, 介绍了Graetzel 型PEC 的结构组成及工作原理并对今后研究工作的重点提出一些建议。     

Photoelectrochemical Cytosensors

Photoelectrochemical (PEC) cytosensors, a combination of the PEC process and the living-cell assay, have emerged as a powerful tool in the analytical and biological science. This mini review provides a brief introduction of this arena and summaries the key steps about the development of PEC cytosensors with representative examples, followed by future prospects based on our own opinions.     

A BiVO4 Photoanode with a VOx Layer Bearing Oxygen Vacancies Offers Improved Charge Transfer and Oxygen Evolution Kinetics in Photoelectrochemical Water Splitting

Sluggish oxygen evolution kinetics are one of the key limitations of bismuth vanadate (BiVO₄) photoanodes for efficient photoelectrochemical (PEC) water splitting. To address this issue, we report a vanadium oxide (VO_x) with enriched oxygen vacancies conformally grown on BiVO₄ photoanodes by a simple photo-assisted electrodeposition process. The optimized BiVO₄/VO_x photoanode exhibits a photocurrent density of 6.29 mA cm⁻² at 1.23 V versus the reversible hydrogen electrode under AM 1.5 G illumination, which is ca. 385 % as high as that of its pristine counterpart. A high charge-transfer efficiency of 96 % is achieved and stable PEC water splitting is realized, with a photocurrent retention rate of 88.3 % upon 40 h of testing. The excellent PEC performance is attributed to the presence of oxygen vacancies in VO_x that forms undercoordinated sites, which strengthen the adsorption of water molecules onto the active sites and promote charge transfer during the oxygen evolution reaction. This work demonstrates the potential of vanadium-based catalysts for PEC water oxidation.     

光电解水制氢耦合生物质醇/醛氧化的研究进展

生物质醇/醛是一类重要的生物基平台化合物, 通过催化氧化重整可将其进一步转化为高值含氧化学品或燃料. 太阳能驱动的光电催化技术是实现生物质醇/醛氧化最为绿色高效的途径之一. 与传统光电解水制氢相比, 利用生物质醇/醛氧化来替代阳极析氧过程不仅可以提高阳极产物的附加值, 同时可以提升太阳能到氢能的转化效率. 因此, 光电解水制氢耦合生物质醇/醛氧化对绿氢提效降本和高值化学品合成具有重要意义. 本文综合评述了光电解水制氢耦合生物质醇/醛的氧化反应机理, 总结了目前光电催化技术在生物质醇/醛氧化方面的研究进展, 最后对该领域所面临的机遇和挑战进行了展望.     

A photoelectrochemical cell for pollutant degradation and simultaneous H2 generation

A PEC cell with nanostructured BiVO₄ photoelectrode film presents outstanding azo dye degradation and simultaneous H₂ production performance.     

光电化学技术应用于抗氧化分析的研究进展

在新陈代谢过程中, 机体会产生大量以自由基为主要形式的氧化活性物质, 而抗氧化剂可以通过电子转移的方式捕获并中和自由基, 从而有效抵御自由基引起的细胞损害, 以保障和维护人体健康. 食品作为人体外源性抗氧化剂的重要来源可以有效补充因体内代谢及体液排出而损失的抗氧化物质, 因此对食品中抗氧化物质消除自由基的能力即抗氧化能力的测定和评价具有重要意义. 光电化学技术作为一种简单快捷、 低成本、 低背景且高灵敏度的测定方法, 能够有效克服光学法、 色谱法和电化学法等传统测试手段在抗氧化容量分析中的不足. 本文综述了基于半导体及其复合材料的光电化学传感平台的构建及食品体系抗氧化容量分析的研究进展, 评论了多种检测体系的特点并对其研究前景进行了展望.     

太阳能分解水制氢最近进展:光催化、光电催化及光伏-光电耦合途径

能源是人类生存和发展的物质基础,太阳能作为最丰富的清洁可再生能源之一,其开发利用受到了世界范围内的广泛关注.通过光催化分解水制氢将太阳能以化学能的形式储存起来不仅能利用太阳能制取高燃烧值的氢能,同时氢能可与CO2综合利用结合起来,在减少碳排放的同时,生成高附加值的化学品,实现碳氢资源的优化利用.光催化分解水制氢在过去的几年里取得了长足的进步,本综述从三种研究广泛的太阳能光催化分解水制氢途径(即光催化、光电催化以及光伏-光电耦合途径)入手,分别简要介绍了太阳能分解水制氢在近几年取得的最新研究进展.利用纳米粒子悬浮体系进行光催化分解水制氢成本低廉、易于规模化放大,被认为是未来应用最可行的方式之一,但是太阳能转化利用效率还偏低.最新报道的SrTiO3:La,Rh/Au/BiVO4:Mo光催化剂其太阳能到氢能(STH)转化效率已超过了1.0%,相比之前报道的大多数光催化剂体系有了数量级的飞跃,让人们对太阳能光催化分解水制氢未来的规模化应用看到了希望.高效宽光谱响应的光催化剂、高效电荷分离策略、新型高效助催化剂以及气体分离新方法和新材料等,均是粉末光催化剂体系研究最为关键的问题;光电催化分解水在过去2–3年内发展迅速,在一些典型的光阳极半导体材料(如BiVO4和Ta3N5等)体系上太阳能利用效率超过2.0%以上.最新研究发现,在Ta3N5光阳极的研究中,通过在光电极表面合理设计和构筑空穴传输层和电子阻挡层等策略,光电流和电极稳定性均可得到大幅度提升,光电流大小甚至可接近Ta3N5材料的理论极限电流.如果能进一步在过电位和电极稳定性上取得突破,该体系的STH转化效率还会得到大幅度改进.此外,光阴极的研究也越来越受到了研究者的关注;光伏-光电耦合体系在三种途径里面太阳能制氢效率最高,在多个体系上已超过10%以上,最近报道的利用多结GaInP/GaAs/Ge电池与Ni电催化剂耦合,其太阳能制氢效率可达到22.4%.虽然该种制氢途径的效率已超过其工业化应用的要求,但是光伏电池的成本(尤其是多结GaAs太阳电池)极大限制了其大面积规模化应用,同时还要考虑电催化剂的成本和效率等,光伏-光电耦合制氢是成本最高的太阳能制氢途径.需要指出的是,光伏-光电耦合制氢有望在一些特殊的领域最先取得实际应用,如为外太空航天器、远洋航海以及孤立海岛等传统能源无法满足的地方提供能源供给.总之,太阳能分解水制氢研究取得了一系列重要进展,太阳能制氢效率得到了大幅度提升,也是目前世界范围内关注的研究热点之一,不仅具有强的潜在工业应用背景,更为基础科学提供了诸多新的研究课题.这一极具挑战的研究领域,在先进技术快速发展和基础科学问题认识不断提高的基础上,不久的将来,有望在不久的将来在基础科学和应用研究方面取得重大突破.     

Photoelectrocatalytic degradation of 3-nitrophenol at surface of Ti/TiO2 electrode

The widely utilization of phenol and its derivatives such as 3-nitrophenol (3-NP) has led to the worldwide pollution in the environment. In this study, Ti/TiO₂ photoelectrode was prepared with anodic oxidation of Ti foil electrode and then the photoelectrocatalytic (PEC) degradation of 3-NP was performed via this electrode, comparing with photocatalytic (PC), electrooxidation and direct photolysis by ultraviolet light. A significant photoelectrochemical synergetic effect in 3-NP degradation was observed on the Ti/TiO₂ electrode and rate constant for the PEC process of Ti/TiO₂ electrode was about three times as high as its PC degradation process. 3-NP concentration monitoring was carried out with differential pulse voltammetry. Results showed that PEC degradation has highest effect on concentration decreasing of 3-NP at solution and degraded it about 38 %, while other processes degradation efficiencies were about 4, 7, and 12 % for electrooxidation, direct photolysis and photocatalytic degradation, respectively. Finally, effects of solution pH and applied potential on degradation efficiency were studied and results showed that optimum pH for degradation is equal 4.00 and optimum potential is 1.2 V vs. Ag|AgCl|KCl (3M) reference electrode.     

二氧化钛纳米管阵列的构建及其光电催化性能

利用阳极氧化法制备了TiO2纳米管阵列, 研究了其光电化学性能, 并且应用该电极对偶氮染料催化降解进行了初步研究.     

三苯胺功能染料的合成及在谷胱甘肽超低电位光电检测中的应用

设计合成了一种具有D-π-A结构的三苯胺功能染料(TCA),并通过分子结构中的羧基将其配位于TiO_2纳米粒子修饰的光电极表面,发展了一种可在超低电位下高灵敏检测谷胱甘肽(GSH)的光电传感方法.该TCA分子以三苯胺为电子给体,噻吩为桥连基团,氰基乙酸为电子受体.在可见光的照射下,TCA通过分子内电子转移将光电子由三苯胺经噻吩和羧基注入到TiO_2的导带能级,进而注入基底光电极,产生阳极光电流;同时,TCA被氧化到氧化态.由于氧化态TCA的稳定性好,可循环被生理活性小分子GSH还原,并产生放大的阳极光电流.TCA功能化的TiO_2纳米粒子修饰电极对GSH表现出了极高的催化活性,在波长为480 nm的可见光照射下,在0 V的超低电位下即可实现对GSH的催化氧化.基于这一性质,发展了一种可用于GSH检测的光电传感方法.在最优条件下,该传感器对浓度为2~100μmol/L和0.1~2.4 mmol/L的GSH具有良好的线性响应,检出限低达1μmol/L.此外,该光电传感器具有较好的选择性,可排除13种氨基酸和生理活性物质多巴胺及氢醌的干扰,因此具有一定的实际应用前景.