光催化全分解水制氢中助催化剂表面氢氧复合反应的抑制

在光催化全分解水产氢的过程中, Pt等助催化剂在催化产生氢的同时也会诱导催化氢气和氧气重新复合为水的逆反应,严重降低了悬浮体系光催化全分解水产氢的效率.我们综述了近年来在逆反应抑制方面的研究进展,总结和对比分析了各种抑制逆反应策略的特点,并对将这些方法应用于悬浮体系光催化全分解水制氢的前景进行了展望.     

光催化水分解中地球储量丰富助催化剂的光沉积方法、功能与机理（英文）

氢能是实现碳中和目标的关键能源之一.光催化分解水制氢是一项绿色制氢技术,自从20世纪80年代日本科学家Honda和Fujishima首次发现了TiO₂电极上的光电解水产氢以来,该技术已成为了全世界关注的研究方向.负载助催化剂能够提高电荷分离、降低过电势/活化能和加快表面反应,作为一种有效的改性策略被广泛地用于提高光催化分解水制氢效率.助催化剂的性能在很大程度上依赖其沉积方式,光沉积有助于加快光生电子-空穴对从光催化剂向助催化剂的转移,大幅改善了电荷的分离和传输效率,显著提升了催化剂的光催化性能.同时,该策略操作简单、条件温和以及无需额外添加氧化还原试剂来实现助催化剂的生成.从目前报道的助催化剂光沉积研究中可以发现,贵金属基助催化剂的光沉积在光催化分解水反应中已被广泛研究,然而贵金属价格昂贵、储量稀少,极大限制了其在大规模能源生产中的应用.为此,光沉积地球储量丰富的非贵金属助催化剂受到了研究者高度重视,近年来也取得了一些重要的进展,但尚未有综述进行报道.本文综述了近年来光沉积非贵金属光催化分解水助催化剂的研究进展.总结了非贵金属水分解助催化剂光沉积的基础,包括光沉积...     

光催化全解水助催化剂的设计与构建

能源和环境危机是当今社会面临的两大关键课题,利用太阳光驱动化学反应、将太阳能转化为化学能是解决上述问题的重要措施。通过光催化分解水是直接利用太阳能生产氢燃料的有效策略。光催化水分解过程可以分为三个基元步骤:光吸收、电荷分离与迁移、以及表面氧化还原反应。助催化剂可有效提高电荷分离效率、提供反应活性位点并抑制催化剂光腐蚀的发生,进而提高水分解效率。助催化剂也可以通过活化水分子以提高表面氧化还原动力学,进而提升整体光催化反应的太阳能转换效率。本文综述了助催化剂在光催化反应中的重要作用以及目前常用的助催化剂类型,详细说明了在光催化全解水过程中双助催化剂体系的构建及作用机理,并根据限制全解水的关键因素提出了新型助催化剂的设计策略。     

光催化制氢中助催化剂表面氢氧复合反应的抑制

在光催化分解水产氢的过程中,Pt等助催化剂在催化产生氢的同时也会诱导催化氢气和氧气重新复合为水的逆反应,严重降低了悬浮体系光催化全分解水产氢的效率。本文综述了近年来在逆反应抑制方面的研究进展,总结和对比分析了各种抑制逆反应策略的特点,并对这些方法的应用于悬浮体系光催化全分解水制氢的前景进行了展望。     

光催化制氢的助催化剂

随着能源和环境问题的日益突出,构建可持续发展、绿色环保和新型高效的能源体系,成为当今世界关注的焦点.由于太阳能清洁、低成本和环境友好等特性,利用太阳能光催化制氢成为解决能源问题的有效策略.单一的半导体光催化剂由于光的利用率低、电荷空穴易复合和缺少充足的活性位点等缺点,很难满足光催化的所有要求,常引入助催化剂来解决这一问...     

光催化分解水制氢研究进展

光催化分解水制氢,其学术和社会意义无疑是极其广泛而深远的.这一点至少早在科幻之父儒勒·凡尔纳(JulesVerne)生活的时代就被人们所认知,下面引用JulesVerne在1874年出版的《神秘岛》中的一段表述,让我们来再次重温这一课题的伟大意义.J.Verne写到:“Waterdecomposedintoitsprimitiveelements,anddecomposeddoubtlessbyelectricity,whichwillthenhavebecomeapowerfulandmanageableforce……Yes,myfriends,Ibelievethatwaterwillsomedaybeemployedasfuel,thathydrogenandoxygen,whichconstituteit,usedsinglyortogether,willfurnish…     

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.     

光催化完全分解水制氢研究进展

由完全分解水的特殊性出发,从材料的结构和能带设计以及材料的表面修饰等方面对完全分解水光催化剂的研制及其分解水产氢产氧性能进行了评述.介绍了Z型体系在完全分解水制氢方面的原理,以及目前已经开发出来的几个Z型体系.对光催化完全分解水研究中存在的问题进行了简单分析.     

Co（Ⅱ）-空穴和Pt-电子助催化剂协同作用增强P掺杂g-C3N4光催化产氢性能（英文）

石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种新型的有机半导体材料,具有独特的层状结构、合适的能带位置、简单的制备方法以及出色的稳定性等特点,因而被广泛应用于光催化产氢领域.但是,较高的光生载流子的复合率和受限的迁移率大大地限制了g-C3N4的光催化产氢性能.目前,大量的研究证实块状g-C3N4的液相剥离、表面改性、元素掺杂、与其他半导体复合构筑异质结以及负载助催化剂等方法可以在一定程度上提高g-C3N4的光催化产氢性能.但是单一的g-C3N4改性方法往往并不能获得最理想的光催化产氢性能,因此,本文采用低温磷化法制备了二价钴(Co(II))修饰的磷(P)掺杂的g-C3N4纳米片(Co(II)/PCN),同时实现了掺杂P原子和负载空穴助催化剂Co(II),该催化剂表现出出色的光催化产氢性能.在光催化制氢过程中,铂(Pt)纳米颗粒作为电子助催化剂成功的负载在Co(II)/PCN上.光催化实验结果表明,最佳的Pt/Co(II)/PCN复合材料光催化产氢速率达到774μmol·g^?1·h^?1,比纯相的g-C3N4纳米片(89.2μmol·g^?1·h^?1)提升8.6倍.同时优化的光催化剂具有良好的光催化稳定性,并在402 nm处具有2.76%的量子产率.XRD,TEM,STEM-EDX和AFM结果证明,成功制备了纳米片状形貌的g-C3N4及其复合材料,催化剂中均匀的分布着Co和P元素.通过XPS证明了P-N的存在以及Co(II)的存在,并且Co(II)是以一种无定型的CoOOH的形式吸附在g-C3N4表面.光照后的TEM证明Pt颗粒成功的负载在Co(II)/PCN表面.UV-vis DRS表明,由于P的掺杂以及Co(II)的修饰,Co(II)/PCN相比于g-C3N4纳米片在可见光区域光吸收有了明显的增强.通过稳态和瞬态光致发光光谱分析,同时结合电化学分析表征(i-t、EIS)以及电子顺磁共振技术分析,证实了Co(II)/PCN高效光催化性能的原因可能是由于更高效的光生载流子分离效率.本文对Pt/Co(II)/PCN可能的光催化增强机理提出了设想.P的掺杂可以优化g-C3N4的电子结构,提高其光生载流子分离效率.而以Pt作为电子助催化剂,可以有效地捕获P掺杂的g-C3N4导带中的光生电子,进而发生水还原产氢反应;以Co(II)作为空穴助催化剂,可以捕获价带中的光生空穴,进而发生三乙醇胺氧化反应.通过采用不同功能的助催化剂,实现P掺杂g-C3N4光生电子空穴的定向分流,促进了P掺杂g-C3N4的光生载流子的分离,从而提高催化剂的光催化产氢性能.本文可以为设计具有空穴-电子双助催化剂的光催化产氢系统提供一个新的思路.     

Simultaneous hydrogen and peroxide production by photocatalytic water splitting

Photocatalytic oxidation of water is a promising method to realize large-scale H₂O₂ production without a hazardous and energy-intensive process. In this study, we introduce a Pt/TiO₂(anatase) photocatalyst to construct a simple and environmentally friendly system to achieve simultaneous H₂ and H₂O₂ production. Both H₂ and H₂O₂ are high-value chemicals, and their separation is automatic. Even without the assistance of a sacrificial agent, the system can reach an efficiency of 7410 and 5096 μmol g^–1 h^–1 (first 1 h) for H₂ and H₂O₂, respectively, which is much higher than that of a commercial Pt/TiO₂(anatase) system that has a similar morphology. This exceptional activity is attributed to the more favorable two-electron oxidation of water to H₂O₂, compared with the four-electron oxidation of water to O₂.     

增强UiO-66-NH2光催化水分解制氢性能的研究进展

氢能是一种能量密度高、储量大、可再生、零污染的新能源。光催化水分解制氢是一种绿色、清洁的能源转换技术,被认为是一种有效的制氢方法。UiO-66-NH2是一种可见光响应、稳定性良好的金属有机骨架材料,但存在可见光响应范围有限、导电性差、载流子复合率高等问题。研究者们采用金属粒子掺杂、染料敏化、金属纳米粒子负载等多种方法对UiO-66-NH2进行改性,提升UiO-66-NH2在光催化水分解制氢反应中的性能,并报道了许多研究成果。因此,本文对近年来报道的有关增强UiO-66-NH2光催化水分解制氢性能的方法进行了综述,并对后续的发展提出了建议,以期为UiO-66-NH2在光催化水分解制氢中应用研究提供参考。     

Decoupled electrolysis for water splitting

1. Download : Download high-res image (183KB)
2. Download : Download full-size image

     

不对称沉积合成PdS-CdSe@CdS-Au一维纳米异质结构及其光解水制氢性能

提高光催化剂在光照射下产生的电子/孔穴分离效率是一个关键的科学问题之一,目前也是一个很大的挑战. 最近,在纳米尺度, 通过材料设计, 在窄带半导体上沉积助催化剂(比如引进双助催化剂)形成异质结构, 能够建立内建电场, 从而使电子和空穴快速分离和传输, 显示出很好的可见光量子效率. 对于异质结构, 纳米结构半导体如硫化镉具有表面积大、规整形貌、电子和空穴迁移路径短等优势. 用纳米半导体硫化镉制备异质结构光催化剂已有很多报道, 大多数研究集中于单一助催化剂来提高光催化活性, 对于纳米结构的设计制备研究较少; 对于稳定性研究, 侧重于利用超薄碳膜包敷策略来提高光催化的稳定性. 因此, 复杂纳米异质结构的精准合成和稳定性仍是个不小的挑战. 我们研究组发展了一种催化剂制备方法, 可选择性地将Au纳米颗粒和PdS纳米颗粒分别沉积于一维硫化镉纳米棒的两端, 并将所制备的催化剂应用于可见光光催化分解水制氢反应中.本文报道了一种高选择性沉积助催化剂的新方法, 制备了PdS-CdSe@CdS-Au一维纳米异质结构. 首先用高温分解法和种子法制备了核壳结构的CdSe@CdS纳米棒, 预先沉积纳米金在纳米棒的一端, 然后PdS通过阳离子交换法高度选择性地沉积到纳米棒的另一端, 形成火柴棒纳米结构. HRTEM结果显示Au和Pd分别高选择性地沉积在纳米棒顶的两端, 助催化剂和纳米棒之间有一个清晰的界面, 非外延生长. 紫外-可见吸收光谱显示, Au和PdS与CdSe@CdS纳米棒之间有很强的电子耦合效应, 相应的荧光光谱也显示, 顶端的助催化剂使CdSe@CdS发生强的荧光淬灭效应. 将PdS-CdSe@CdS-Au一维纳米异质结构用于光催化分解水制氢, 发现5 h内产氢达到1100 μmol, 是相应Au-CdSe@CdS催化剂产氢速率的2个数量级.同时考察了它的光催化稳定性, 发现双助催化剂形成的火柴棒型纳米结构稳定性大大提高, 经过4 h光照仍能保持很好的形貌.通过对照实验考察了PdS-CdSe@CdS-Au一维纳米异质结构的形成机理. 一端金纳米颗粒的形成主要是由于顶端曲率的Gibbs-Thompson效应和纳米棒顶端组成分布不对称的缘故, 而PdS的顶端高选择性沉积是在阳离子交换过程中两端化学性质发生变化等原因造成的. 最后提出了光催化性能提高机理, 主要是由于电子和空穴在一维纳米棒上快速向相反方向分离和传输, 既大大提高了光催化制氢效率, 也大大提高了光催化稳定性.     

Electrochemical approach to evaluate the mechanism of photocatalytic water splitting on oxide photocatalysts

Photoelectrochemical measurements of TiO₂, NaTaO₃, and Cr or Sb doped TiO₂ and SrTiO₃ photocatalysts were carried out in H₂ and O₂ saturated electrolytes in order to evaluate the reverse reactions during water photolysis. The poor activity of TiO₂ as a result of reverse photoreactions of O₂ reduction and H₂ oxidation was revealed with the respective high cathodic and anodic photocurrents. The rise in the photocurrents at NaTaO₃ after La doping was in harmony with the doping-induced increase in the photocatalytic activity. NiO loading suppresses the O₂ photoreverse reactions, which declines photocatalytic activity, and/or promotes the photo-oxidation of water, because the O₂ photo-reduction current was scarcely observed near the flatband potential. Photocurrents of O₂ reduction and H₂ oxidation were observed under visible light for the Cr and Sb doped SrTiO₃ and TiO₂, respectively. These phenomena are in harmony with the previous reports on the photocatalysts examined with sacrificial reagents.     

Transition metal tellurides as emerging catalysts for electrochemical water splitting

Renewable energy powered electrochemical water splitting has been recognized as a sustainable and environmentally-friendly way to produce green hydrogen, which is an important vector to decarbonize the transport sector and hard-to-abate industry, able to contribute to achieving global carbon neutrality. For large-scale deployment of water electrolyzers, it is essential to develop efficient and durable electrocatalysts—one of key components determining the electrochemical performance, based on cheap and earth-abundant materials. To this end, transition metal tellurides (TMTs) have recently emerged as a promising alternative to the conventional platinum group metals for both hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER). This review article provides a brief account of the latest development in TMT-based HER and OER catalysts, with a focus on various strategies developed to improve the catalytic performance, such as nanostructure engineering, composition engineering, and heterostructuring/hybridization. Perspectives of future research on TMT-based catalysts are also shortly outlined.     

Toward photocatalytic hydrogen generation over BiVO_4 by controlling particle size

Owing to excellent light absorption and high activity fo r oxygen evolution,monoclinic bismuth vanadate(BiVO_4) is regarded as an ideal candidate for photocatalytic water splitting.However,its application is limited by the large particle size in micrometer scale,as well as the slightly positive conduction band.In this work,we successfully synthesized nano-BiVO_4 with particle size ranged from 27 nm to 57 nm by wet chemical method based on electrostatic spinning method.Unlike bulk BiVO_4,the nano-sized BiVO_4 possesses the ability to generate hydrogen by water splitting,and the activity could reach up to1.66 μmol h~(-1) g~(-1) with the assistance of Pt.The enhanced activity is mainly attributed to the improvements resulted from reduced particle size,which includes elevated conduction band,enlarged specific surface area and promoted charge separation.This work provides a simple method for synthesizing photocatalyst with small particle size and high yield.     

Recent advances in bismuth vanadate-based photocatalysts for photoelectrochemical water splitting

Photoelectrochemical(PEC) technology is considered to be a promising approach for solar-driven hydrogen production with zero emissions. Bismuth vanadate(BiVO_4) is a kind of photocatalytic material with strong photoactivity in the visible light region and appropriate band gap for PEC water splitting.However, the solar-to-hydrogen efficiency(STH) of BiVO_4 is far away from the 10% target needed for practical application due to its poor charge separation ability. Therefore, this review attempts to summarize the strategies for improving the photocurrent density and especially hydrogen production of BiVO_4 materials through PEC techniques in the last three years, such as doping nonmetal and metal elements, depositing noble metals, constructing heterojunctions, coupling with carbon and metalorganic framework(MOF) materials to further enhance the PEC performance of BiVO_4 photoanode. This review aims to serve as a general guideline to fabricate highly efficient BiVO_4-based materials for PEC water splitting.