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.     

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（英文）

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CO_2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SrTiO_3:La,Rh/Au/BiVO_4: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BiVO_4和Ta_3N_5等)体系上太阳能利用效率超过2.0%以上.最新研究发现,在Ta_3N_5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.     

光子晶体太阳能电池研究进展

光子晶体具有光子禁带、“慢光子”效应等独特的光学性能,近年来被广泛用于太阳能电池中.光子晶体的引入,可调节光子在太阳能电池中的传播和分布.在电池中不同的位置引入光子晶体,能够提高或抑制太阳能电池的光电转化效率.因此充分了解光子晶体的光学特性,正确使用光子晶体是提高光电转化效率的关键.本文总结归纳不同类型光子晶体在硅太阳能电池及敏化型太阳能电池中的应用,并对其可能存在的问题进行了分析和评述.     

《光电化学及新型太阳能电池》专辑序言

众所周知,能源与环境是当今人类面临的最大难题和挑战,随着世界能源需求的急剧攀升,传统化石资源的不断耗竭,全球温室效应和环境污染的压力日趋严重,发展各种可再生绿色能源成为当今世界最主要的共性问题和研究热点. 太阳能光电转化技术被认为是一种最有希望真正解决未来社会可再生能源和洁净环境问题的先进技术. 太阳可为人类提供取之不尽、用之不竭的巨大能源宝库,每年照射到地球的太阳能量高达174000TW,换言之,只要能以10%效率转化0.1%到达地球表面的太阳能,即可满足全球的能源需求. 当前国际上最热点研究的新型太阳能电池包括染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、量子点太阳能电池及钙钛矿太阳能电池等,这些新型太阳能电池的研究近年来取得了长足的进步,世界上每年发表相关论文超过10000篇,其中中国学者在太阳能光电化学理论、光电转化器件设计、电极材料、有机半导体光伏材料、电解质系统、有机及钙钛矿太阳能电池电极界面修饰层材料等方面开展了大量卓有特色的工作,为推进各种新型太阳能电池的进步和应用做出不菲的贡献. 光电化学是一门研究光与电化学相互作用的交叉学科,是太阳能高效利用中光-电转化和光能-化学能转化的核心理论基础. 自上世纪70年代以来,光电化学理论得到不断发展和完善,为当今蓬勃发展的各种新型太阳能电池和光催化制氢等提供了强有力的理论指导. 然而,随着纳米科技、材料科学及半导体物理等现代科技的飞速发展和多学科深入研究,诸多新型太阳能体系研究的新现象和复杂性仍未能得到圆满解析. 仍亟需进一步从微观水平认识太阳能电化学电池及光电催化的反应本质,发展原位表征和超快时间分辨技术研究光生电子的传输、复合及界面反应等规律及定量关系,为人们设计高光电转化效率的电化学太阳能电池、推进商品化应用提供理论指导. 本专辑围绕光电化学及新型太阳能电池专题,收录了在相关研究领域具有丰富积累和影响的团队所撰写的9篇相关研究进展的综述文章和研究论文,部分反映了我国在新型太阳能电池结构设计、合成方法和性能研究方面的研究进展.希望借助该专刊的出版,能使广大读者更深入地了解我国在新型太阳能电池领域的研究现状、研究趋势和存在的问题及挑战,推动我国光电化学及新型太阳能电池研究的进一步发展. 在此,对本专辑的所有作者、审稿人及编辑部工作人员的卓有成效的工作和付出表示衷心的感谢！     

新型席夫碱锌配合物的合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用

摘要合成了新型席夫碱配体及其锌配合物, 并利用核磁共振氢谱、 紫外 可见吸收光谱和荧光光谱等方法对配体及其配合物进行了表征. 将席夫碱及其锌的配合物作为光敏剂应用在染料敏化纳米薄膜太阳能电池中, 配合物染料比席夫碱配体的光电转化效果更好, 能量转化效率为1.45%(AM 1.5, 100 mW·cm^-2).     

构筑先进二维异质结构Ag/WO_(3-x)用于提升光电转化效率（英文）

等离子体激元诱导的光电化学反应被认为是太阳能转换的有效的替代方案。寻找具有增强的光吸收以及更长载流子寿命的高效光催化剂对于提高太阳能的转换效率至关重要,但其制备却具有挑战性。我们制备了Ag纳米颗粒均匀负载的二维(2D)无定形三氧化钨(a-WO_(3-x)),并对其进行退火处理,所获得的纳米异质结用作光电极材料具有高效的光电转化效率,并且其光氧化降解性能也显著提升。该光电阳极的高光电催化(PEC)性能归因于等离子体金属Ag纳米颗粒的局部表面等离子共振(LSPR)效应能够增强体系的光吸收和热电子转移。此外,局部结晶-非晶界面的构筑可以进一步提高光生电子-空穴对的分离效率并增加体系的导电性。     

提高氧化铁光电催化分解水效率的策略进展（英文）

为了解决能源危机与环境污染问题,发展一种可再生的清洁能源至关重要.太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源,而氢气是一种良好的能源载体.利用太阳能光电催化水分解制氢,是一项有望能够解决能源与环境问题的技术,具有很大的应用前景.其中,氧化铁因为具有合适的能带位置与带隙、良好的稳定性与廉价无毒等优点,成为一种理想的光阳极材料.但是,在实际的测试中,氧化铁仅仅只能得到一个较低的光电转换效率,这可能是因为其较短的空穴扩散距离、较低的电导率以及极度缓慢的水氧化反应动力学所致.整个光电催化水氧化可分为三个过程,即光吸收过程、电荷分离过程以及表面空穴注入过程.这三个过程的效率共同决定了器件的太阳能转化效率.鉴于此,本文将从如何提高这三个效率的角度出发,总结近期研究报道中提高氧化铁光电催化分解水效率的一些策略.光吸收过程是指半导体中价带的电子在吸收具有一定能量的光子后发生跃迁,产生空穴-电子对的过程.其光子的损失主要来源于光的反射、透射以及半导体吸收边的限制.提高光吸收效率的主要策略包括制备具有特定纳米结构的氧化铁电极、利用表面等离子体共振效应以及组成双光吸收系统和掺杂等.电荷分离过程指的是受光激发产生...     

准固态染料敏化太阳能电池中电解质体系的研究进展

染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cells)是新一代将光能转化为电能的重要能源转换装置。它具有低廉的材料和器件制作成本、较高的光电转换效率以及电池制作过程简单等诸多优点,拥有广阔的应用空间和巨大的潜在商业价值,因而吸引了广泛的研究关注。染料敏化太阳能电池主要由染料敏化的光阳极、电解质和对电极三个部分组成。其中,电解质作为染料敏化太阳能电池的重要组成部分,其对离子的传导和扩散,以及促进染料再生的能力极大地影响着染料敏化太阳能电池的电荷传输和光电性能。本文聚焦于染料敏化太阳能电池准固态电解质体系,主要从聚合物凝胶电解质、有机小分子凝胶电解质和无机纳米粒子凝胶电解质三大方面综述讨论了该研究领域当前最新研究进展,并对其未来研究趋势进行了展望。     

无机纳米晶-共轭聚合物异质结光电池研究进展

无机纳米晶_共轭聚合物固体薄膜太阳能电池是一种以半导体纳米晶作为电子受体、共轭聚合物作为电子给体的新型异质结光电池,近年来已成为国内外研究的热点。本文综述了近几年国际上关于这一领域的研究进展,重点讨论了几种最具潜力的无机半导体纳米晶(CdSe、TiO2、ZnO)共轭聚合物(P3HT、MEHPPV、MDMOPPV)复合太阳能电池,探讨了其光电转化机理并研究了纳米粒子的形貌、共混比例、制备方法和表面改性等对聚合物太阳能电池性能的影响。     

四氧化三锡基光催化纳米材料的研究进展

半导体光催化技术实现了太阳能向化学能的转化, 旨在解决日益严重的能源和环境问题, 达到可持续的能源利用. 由于大的比表面积和更多的表面缺陷, 纳米尺寸的催化剂表现出比块状材料更大的潜力. 目前, 四氧化三锡纳米材料因其生态友好和含量丰富而受到关注, 同时其具有合适的带隙(2.5~2.8 eV), 是一种极具潜力的新型可见光光催化剂. 本文综述了四氧化三锡基光催化纳米材料的最新研究进展, 从材料改性和应用两方面进行了阐述, 并展望了其未来发展方向, 为开发新型高效的四氧化三锡基纳米材料提供了指导.     

电催化木质素升级转化成高附加值化学品和燃料的研究进展

为节能减排和能源结构调整以快速实现"碳中和",发展可再生、清洁与绿色的能源以替代传统化石能源已成为当今世界高质量发展的重要共识.生物质能作为一种典型的可再生能源,具有储量丰富、分布广泛、可有效转化成各种化工原料和燃料等特点逐步受到广泛关注并成为科研热点.木质素是生物质的重要组成部分,其含氧量低、热值高,可转化成高热值燃料;同时,木质素富含芳香结构单元,可以转化成各类高附加值化工原料及医药中间体.木质素解聚及其对应单体升级转化是木质素高效转化利用的关键技术.当前,传统热催化是其主要应用技术手段.然而,该类方法常在高温高压下进行,需消耗大量能源及众多繁琐操作步骤,不易规模化生产.相对而言,电催化技术能实现常温常压的木质素解聚及对应单体的升级转化,采用由可再生能源(例如风能、太阳能等)获得的清洁电力,则能实现完全绿色可持续生产,对未来经济社会的发展及"碳中和"的目标具有重大意义.本文综述了近年来电催化技术在木质素升级转化成高附加值燃料和化学品方面的应用,尤其是在木质素解聚及其对应单体于水溶液相关电解质中升级转化方面的应用.(1)针对总体研究背景进行了概述,总结了木质素研究的重要意义并概括了当前木质素研究的主要思路,并简单介绍了木质素结构单元及连接键等基本性质;(2)针对电催化技术在木质素应用方面进行了总结,包括反应类型和反应路径等;(3)总结了木质素常用的几种典型表征技术手段,如GC-MS、NMR、IR等;(4)总结了电催化木质素解聚及其单体升级转化研究现状,对电催化木质素解聚应用中木质素前体类型、电解质种类和电还原/氧化催化剂进行了详细介绍及客观评价,并对几种代表性单体的电催化加氢反应及氧化反应做了详细评述.在此基础上展望了电催化技术在木质素升级转化中的应用前景,指出了当前电催化技术在木质素升级转化应用中存在的实际问题,提出了电催化技术在木质素升级转化中的发展方向.     

非“三明治”结构的分子基光电器件

传统的分子材料光电器件如太阳能电池和有机发光二极管通常采用"三明治"型垂直结构.器件通常由透明底电极、薄膜活性层和顶接触电极构成.该结构优化了光与半导体的相互作用以及载流子的注入和收集,实际应用广泛.近些年,为了降低透明电极的使用成本以及更好地实现非薄膜形态纳米半导体材料的器件构筑,一些非"三明治"结构的有机光电器件也取得了很大进展:发展出了具有微米、纳米电极结构的光伏器件、光电导器件、光晶体管器件、纳米间隙电极器件等,拓展了分子基光电材料的应用研究,与传统夹心型二极管器件相互补充、相互完善.本文主要聚焦在各种非"三明治"结构有机光电器件的构筑与功能化,对有代表性的研究成果进行了总结与评述,并对其未来的发展进行了展望.     

高性能黑色纳米二氧化钛材料研究

二氧化钛是最重要的光电半导体材料之一, 纳米二氧化钛作为最重要的光催化剂所面临的巨大挑战是无法吸收可见光而导致太阳能利用效率低下. 拓展二氧化钛的光谱响应范围是提高其太阳能利用效率的关键. 最近发展的可以有效吸收可见光的黑色二氧化钛受到广泛关注, 我们针对黑色纳米二氧化钛材料展开了一系列工作, 发展出多种黑色二氧化钛材料的制备方法, 获得了太阳能高吸收、 高效光催化的材料. 本文综合了我们的部分研究工作, 概述了所制备黑色纳米二氧化钛的物化性质、 制备方法及其应用, 并提出了该材料的研究方向.     

荧光量子点的水相合成及其在化学和生物分析中的应用

荧光量子点(又称为半导体纳米晶体)是一种新兴的无机发光材料, 由于其具有独特的结构和光电性能, 在发光二极管、太阳能电池及生命科学等领域有广泛的应用. 目前, 有机相合成法和水相合成法已被成功地用于荧光量子点的合成. 与有机相合成法相比, 水相合成量子点方法简单、绿色且廉价, 合成的量子点水溶性好, 在生物医学等领域具有很好的应用前景. 本文主要介绍荧光量子点的水相合成方法及其在化学和生物分析中的应用, 并对其发展趋势进行了展望.     

具有三维光催化活性表面的Cu掺杂ZnS纳米框架材料用于太阳能光催化产氢

太阳能转化为化学能被认为是当前能源和环境危机最具潜力的解决方案之一,但在设计和制备高效的、可持续的半导体光催化剂方面仍需研究者不懈努力.对半导体的组成、形貌进行重塑改性以提高光催化效率依然具有挑战性.本文通过结合替位掺杂、酸性环境化学刻蚀和硫化三步策略制备了Cu掺杂的ZnS纳米框架材料,旨在提高太阳能光催化产氢反应中的...     

高性能黑色纳米二氧化钛材料研究（英文）

二氧化钛是最重要的光电半导体材料之一,纳米二氧化钛作为最重要的光催化剂所面临的巨大挑战是无法吸收可见光而导致太阳能利用效率低下.拓展二氧化钛的光谱响应范围是提高其太阳能利用效率的关键.最近发展的可以有效吸收可见光的黑色二氧化钛受到广泛关注,我们针对黑色纳米二氧化钛材料展开了一系列工作,发展出多种黑色二氧化钛材料的制备方法,获得了太阳能高吸收、高效光催化的材料.本文综合了我们的部分研究工作,概述了所制备黑色纳米二氧化钛的物化性质、制备方法及其应用,并提出了该材料的研究方向.     

光电多孔共价有机材料的研究进展

多孔共价有机材料(Covalent Organic Materials: COMs)是一类通过共价键将不同几何构型和长度的有机配体组装成多维度多功能的多孔材料. 在COM材料体系中, 共轭结构赋予它优异的光电性质, 高的比表面积为静电电荷的分离提供了充裕的界面, 固有的可裁剪孔结构允许离子的传输, 加上高度有序的结构, 为载流子迁移提供了通道, 已经在半导体和能源转化与存储领域展示出诱人的潜力. 本综述围绕着COM材料, 总结其在半导体、能源转化(光解水、太阳能电池、燃料电池中的阴极氧化还原反应)、能源存储(锂电、锂硫、超级电容器)中的应用, 并根据当前研究现状, 提出了设计光电COM材料原理. 尽管光电COM材料的发展还处于萌芽期, 但它已经展示出不可低估的影响, 在半导体和新能源领域扮演着越来越重要的作用, 同时也给光电领域带来了新的机遇.     

水滑石纳米阵列电极在能量储存和转化中的应用

纳米技术在能源领域的应用为解决化石燃料的消耗和环境污染问题提供了新的契机.水滑石(LDHs)作为一类典型的阴离子黏土材料,其独特的组成、结构及形貌可调性,使其成为一类优秀的能源储存和转化材料.其中,将水滑石材料进行纳米阵列结构化设计,结合水滑石优异的物理化学性能和纳米阵列的结构特性,已经成为构建高性能电化学电极的重要方法.本文综述了水滑石基纳米阵列电极的合成及其在电化学能量储存和转化上的应用,并进一步讨论了水滑石纳米阵列材料在该领域面临的挑战和发展趋势.     

光电化学氮还原:一种可持续的氨合成方法（英文）

氨是一种重要的化工产品和非碳基能源载体,全球年产量已达2亿吨.目前,氨的工业化生产主要依赖Haber-Bosch工艺,其能耗高且污染严重.因此亟需开发一种低碳环保的替代工艺以实现氨合成工业的可持续发展.现阶段主要有三种比较有发展潜力的新型氨合成工艺,即电催化、光催化和光电化学氮还原产氨技术.这些氮还原技术都可在温和环境条件下合成氨,具有能耗低、零排放等优势,被认为是替代Haber-Bosch工艺的有效途径,受到广泛关注.其中,与前两者相比,光电化学氮还原具有明显优势:与电催化氮还原相比,光电化学氮还原能够实现从太阳能到化学能的直接转化,具有较高的能量转化效率;而与光催化氮还原相比,光电化学氮还原系统中的外加偏压能够加速激子分离,有效提高太阳能到化学能的转化效率.在光电化学氮还原过程中,其核心组件光电阴极材料的性能决定了反应的氨产量、选择性和稳定性.本文总结了近年来光电化学氮还原领域的最新进展,特别是其中涉及的光阴极材料.首先,详细介绍了光电化学氮还原所涉及的基本原理和面临的主要瓶颈.其次,逐一总结了已报道的用于光电化学氮还原的光电阴极材料,包括氧化物(氧化铜、氧化亚铜、碘氧化铋、溴化氧...     

《光电化学及新型太阳能电池》专辑序言——新型太阳能电池:未来绿色可再生能源的最大希望

正众所周知,能源与环境是当今人类面临的最大难题和挑战,随着世界能源需求的急剧攀升,传统化石资源的不断耗竭,全球温室效应和环境污染的压力日趋严重,发展各种可再生绿色能源成为当今世界最主要的共性问题和研究热点.太阳能光电转化技术被认为是一种最有希望真正解决未来社会可再生能源和洁净环境问题的先进技术.太阳可为人类提供取之不尽、用之不竭的巨大能源宝库,每年照射到地球的太阳能量高达174000 TW,换言之,只要能以10%效率转化0.1%到达地球表面的太阳能,即可满足全球