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.     

双碳目标下太阳能制氢技术的研究进展

“双碳目标”的实现需要精准的政策引导和开发可替代的清洁能源. 近年来, 氢能由于具有来源丰富、热值高、清洁低碳、应用场景多样等特点, 受到了学者们越来越多的关注. 在传统制氢技术中, 化石燃料制氢技术应用最为广泛, 但其制氢反应过程造成的能耗和温室气体释放量较大. 而光催化分解水制氢技术是将太阳能转换为氢能, 将太阳能以化学能的形式储存起来, 这样不仅能利用太阳能制取氢气, 而且可以将氢能与CO₂结合起来生产高附加值的化学品, 在减少碳排放的同时, 实现碳氢资源的综合利用. 综述了可实现太阳能制氢的光催化制氢(PC)、光电催化制氢(PEC)和光伏电催化耦合制氢(PV-EC)技术的研究进展, 阐释了相关技术的基本原理, 介绍了制氢技术中的关键材料, 对三种制氢技术发展过程中太阳能制氢(STH)转化效率、材料稳定性的相关研究进行了详细总结. 最后对三种太阳能制氢技术面临的关键挑战和未来发展方向进行了探讨和展望.     

解决能源问题的新途径--光解水制氢的研究

面对日益枯竭的能源危机,氢能是一种洁净、最有前景的替代能源。目前在各种制氢的方法中光催化分解水制氢的研究最多,光解水过程中催化剂最关键,本文对利用太阳能光解水的途径、提高光催化反应效率以及光催化剂的开发研究进行了综述。     

硫氧键合BiVO4光阳极与FeNi催化剂实现高效水氧化

光电催化分解水可以将充足的太阳能直接转化存储为绿色清洁的氢能,然而光阳极表面缓慢的析氧反应动力学严重限制了太阳能到氢能的转化效率。我们通过一种简单的S-O键合策略实现BiVO4光阳极与FeNi催化剂的界面耦合（S:BiVO4-FeNi）,其光电催化分解水的光电流达到6.43 mA/cm2（1.23 VRHE, AM 1.5G）。进一步研究结果表明：界面S-O键合能够有效实现BiVO4光阳极光生电荷分离并促进空穴向FeNi催化剂表面迁移。同时,S-O键合可以进一步调控FeNi催化剂表面的电荷分布,从而有效提高光电化学分解水析氧活性和稳定性。该工作为设计构建具有高效、稳定的太阳能光电催化分解水体系提供了一种新的研究策略。     

太阳能光催化制氢研究进展

随着人类社会的快速发展和传统能源的急剧消耗,能源紧缺和环境污染已经成为制约人类社会可持续发展的重要因素,构建清洁的环境友好的可再生新能源体系是当前各国高度关注的焦点和重大战略.在众多绿色环保、可持续新能源选项中,半导体光催化制氢因其可利用清洁可再生的太阳能制取高效清洁氢能,有望完全解决能源紧缺和环境污染问题,成为最有应用前景的技术之一. 本文通过概述半导体光催化制氢原理、半导体光电化学及光电稳定性、半导体光催化制氢效率,重点介绍半导体光催化剂、光生电荷分离及光催化制氢体系等方面若干新进展,并对太阳能光催化制氢技术的发展加以评述和展望.     

TiO_2纳米管阵列光电催化制氢研究进展

以TiO2纳米管阵列为光阳极组成的光电解池光电催化分解水是目前光催化制氢领域内研究最广泛的体系之一。本文综述了近年来TiO2纳米管阵列在光电催化分解水制氢领域的最新研究进展,重点阐述了提高TiO2纳米管阵列光电转换效率和产氢速率的方法,指出了目前存在的问题,并对今后的发展提出了展望。     

共轭微孔聚合物光催化分解水制氢研究进展

氢能开发是未来解决能源危机和环境污染问题的理想途径之一,利用太阳能光催化分解水制氢被认为是一种极具潜力的制氢技术,而开发高效、廉价的实用性新型光催化剂是实现这一技术的关键,成为当前该领域的研究热点。目前,光催化制氢材料主要集中于无机半导体材料如金属氧化物或硫化物等体系,但这些传统的光催化材料存在可见光响应弱、制备条件苛刻及资源短缺等问题。相对于无机半导体光催化剂而言,有机半导体光催化剂具有合成方法多样、易功能化修饰、能带结构和电子结构易调控等诸多优势,使其在光催化制氢领域具有巨大的应用潜力。尤其是近年来发展起来的有机共轭微孔聚合物材料,具有传统共轭聚合物的半导体特性及高比表面积的多孔特性,成为一类新型的有机光催化剂材料,吸引了众多的研究关注。本文主要综述了近年来有机共轭微孔聚合物在光催化制氢领域取得的进展,并对有机聚合物光催化剂面临的挑战和未来发展方向做了综合性概括。     

新型二维碳材料——石墨烯在光催化分解水制氢中的研究进展

能源危机和日益严重的环境污染问题是目前人类生存和发展面临的严峻挑战,在化石能源日益枯竭的今天,清洁太阳能的转化、储存和利用成为当前研究的热点.利用太阳能光催化分解水制氢,并将太阳能以氢能的形式储存是解决能源问题最理想     

太阳能光催化分解水制氢※

利用太阳能光催化分解水制氢是解决能源环境问题并实现太阳能有效转化和储存最有前途的技术之一, 这一“圣杯”式反应经过几十年不懈努力取得了诸多重要研究进展. 本文将综述光催化分解水制氢体系的基本概念、活性测试方法与注意事项、光催化材料种类等; 并从光催化分解水制氢的光吸收、光生电荷分离和表面催化反应等基本过程和关键科学问题的角度总结其重要研究进展, 最后对于太阳能光催化分解水制氢的挑战和潜在的发展方向进行分析和展望. 希望通过本综述的简要介绍能让刚从事光催化分解水制氢研究的青年科技人员清晰地了解掌握该领域的一些基本概念、操作规范、研究总体进展和现状等.     

硫化镉复合光催化剂在模拟有机污染物体系中光催化制氢研究

太阳能光催化分解水制氢是太阳能制氢的最佳途径之一.选择CdS为敏化剂,制备了可见光响应的CdS复合钛酸纳米管光催化剂.以所制备的光催化剂在不同模拟有机污染物中的光催化产氢活性进行研究,对有机物浓度、pH值等反应参数进行了考察,并对其产氢机理进行了分析.研究发现各类有机物中,甲酸溶液中产氢量活性最高.分别考察了10%、2...     

Perovskite Oxide Based Electrodes for High‐Performance Photoelectrochemical Water Splitting

Photoelectrochemical (PEC) water splitting is an attractive strategy for the large‐scale production of renewable hydrogen from water. Developing cost‐effective, active and stable semiconducting photoelectrodes is extremely important for achieving PEC water splitting with high solar‐to‐hydrogen efficiency. Perovskite oxides as a large family of semiconducting metal oxides are extensively investigated as electrodes in PEC water splitting owing to their abundance, high (photo)electrochemical stability, compositional and structural flexibility allowing the achievement of high electrocatalytic activity, superior sunlight absorption capability and precise control and tuning of band gaps and band edges. In this review, the research progress in the design, development, and application of perovskite oxides in PEC water splitting is summarized, with a special emphasis placed on understanding the relationship between the composition/structure and (photo)electrochemical activity.     

光电催化用于高附加值化学品合成

化石燃料的过度消耗导致了能源短缺和环境破坏,因此可再生清洁能源的开发已成为当务之急.在众多可再生能源中,太阳能因其环境友好,储量巨大且分布广泛等特点而引起了研究者们的兴趣.光电催化(PEC)是一种能够将可再生太阳能转化为化学能的方法,而最受关注的是通过PEC水分解来获得高附加值的氢能源.欲使PEC系统实现水分解,理论上...     

Emerging materials for plasmon-assisted photoelectrochemical water splitting

Energy production and environmental pollution are the two major problems the world is facing today. The depletion of fossil fuels and the emission of harmful gases into the atmosphere leads to the research on clean and renewable energy sources. In this context, hydrogen is considered an ideal fuel to meet global energy needs. Presently, hydrogen is produced from fossil fuels. However, the most desirable way is from clean and renewable energy sources, like water and sunlight. Sunlight is an abundant energy source for energy harvesting and utilization. Recent studies reveal that photoelectrochemical (PEC) water splitting has promise for solar to hydrogen (STH) conversion over the widely tested photocatalytic approach since hydrogen and oxygen gases can be quantified easily in PEC. For designing light-absorbing materials, semiconductors are the primary choice that undergoes excitation upon solar light irradiation to produce excitons (electron-hole pairs) to drive the electrolysis. Visible light active semiconductors are attractive to achieve high solar to chemical fuel conversion. However, pure semiconductor materials are far from practical applications because of charge carrier recombination, poor light-harvesting, and electrode degradation. Various heteronanostructures by the integration of metal plasmons overcome these issues. The incorporation of metal plasmons gained significance for improving the PEC water splitting performance. This review summarizes the possible main mechanisms such as plasmon-induced resonance energy transfer (PIRET), hot electron injection (HEI), and light scatting/trapping. It also deliberates the rational design of plasmonic structures for PEC water splitting. Furthermore, this review highlights the advantages of plasmonic metal-supported photoelectrodes for PEC water splitting.     

Near infrared-driven photoelectrochemical water splitting: Review and future prospects

Photoelectrochemical (PEC) water splitting supplies an environmentally friendly, sustainable approach to generating renewable hydrogen fuels. Oxides semiconductors, e.g. TiO₂, BiVO₄, and Fe₂O₃, have been widely developed as photoelectrodes to demonstrate the utility in PEC systems. Even though significant effort has been made to increase the PEC efficiency, these materials are still far from practical applications. The main issue of metal oxides is the wide bandgap energy that hinders effective photons harvesting from sunlight. In solar spectrum, over 40% of the energy is located in the near-infrared (NIR) region. Developing sophisticated PEC systems that can be driven by NIR illumination is therefore essential. This review gives a concise overview on PEC systems based on the use of NIR-driven photoelectrodes. Promising candidates as efficient yet practical NIR-responsive photoelectrodes are suggested and discussed. Future outlooks on the advancement of PEC water splitting are also proposed.     

Spatially Separated Photosystem II and a Silicon Photoelectrochemical Cell for Overall Water Splitting: A Natural–Artificial Photosynthetic Hybrid

Integrating natural and artificial photosynthetic platforms is an important approach to developing solar‐driven hybrid systems with exceptional function over the individual components. A natural–artificial photosynthetic hybrid platform is formed by wiring photosystem II (PSII) and a platinum‐decorated silicon photoelectrochemical (PEC) cell in a tandem manner based on a photocatalytic‐PEC Z‐scheme design. Although the individual components cannot achieve overall water splitting, the hybrid platform demonstrated the capability of unassisted solar‐driven overall water splitting. Moreover, H₂ and O₂ evolution can be separated in this system, which is ascribed to the functionality afforded by the unconventional Z‐scheme design. Furthermore, the tandem configuration and the spatial separation between PSII and artificial components provide more opportunities to develop efficient natural–artificial hybrid photosynthesis systems.     

铁基多相助催化剂光电化学水氧化研究进展

The use of fossil fuels has caused serious environmental problems such as air pollution and the greenhouse effect. Moreover, because fossil fuels are a non-renewable energy source, they cannot meet the continuously increasing demand for energy. Therefore, the development of clean and renewable energy sources is necessitated. Hydrogen energy is a clean, non-polluting renewable energy source that can ease the energy pressure of the whole society. The sunlight received by the Earth is 1.7× 10¹⁴ J in 1 s, which far exceeds the total energy consumption of humans in one year. Therefore, conversion of solar energy to valuable hydrogen energy is of significance for reducing the dependence on fossil fuels. Since Fujishima and Honda first reported on TiO₂ in 1972, it has been discovered that semiconductors can generate clean, pollution-free hydrogen through water splitting driven by electricity or light. Hydrogen generated through this approach can not only replace fossil fuels but also provide environmentally friendly renewable hydrogen energy, which has attracted considerable attention. Photoelectrochemical (PEC) water splitting can use solar energy to produce clean, sustainable hydrogen energy. Because the oxygen evolution reaction (OER) over a photoanode is sluggish, the overall energy conversion efficiency is considerably low, limiting the practical application of PEC water splitting. A cocatalyst is, thus, necessary to improve PEC water splitting performance. So far, the synthesis of first-row transition-metal-based (e.g., Fe, Co, Ni, and Mn) cocatalysts has been intensively studied. Iron is earth-abundant and less toxic than other transition metals, making it a good cocatalyst. In addition, iron-based compounds exhibit the properties of a semiconductor/metal and have unique electronic structures, which can improve electrical conductivity and water adsorption. Various iron-based catalysts with high activity have been designed to improve the efficiency of PEC water oxidation. This article briefly summarizes the research progress related to the structure, synthesis, and application of iron oxyhydroxides, iron-based layered double hydroxides, and iron-based perovskites and discusses the evaluation of the performance of these cocatalysts toward photoelectrochemical 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.     

提高氧化铁光电催化分解水效率的策略进展

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的空穴电子对,在内建电场的作用下发生电荷分离,即光生空穴流向电极表面,光生电子流向半导体内部并从外电路导出.电荷分离效率的损失主要来源于光生载流子在迁移过程中的复合.因此,为了提高电荷分离效率,常见的策略是提高载流子在电荷分离过程中的复合时间τ₁和减少电荷迁移到表面(空穴)或者基底(电子)的时间τ₂.具体的策略包括制备特定的纳米结构(缩短体表相距离,减少τ₂)、构建异质结(增强能带弯曲,提高τ₁和减少τ₂)、掺杂(减少τ₂)和钝化复合中心(提高τ₁)等.表面空穴注入是指到达表面的光生空穴发生水氧化反应生成氧气的过程.除了空穴注入外,表面还可能存在复合与逆反应过程.因此,为了提高表面空穴注入效率,我们既可以提高水氧化反应动力学,具体的手段包括引入水氧化催化剂、F掺杂和碱处理等;也可以采用减少复合反应的策略,具体的方法包括引入钝化层、酸处理和高温热处理等;还可以采用减少逆反应的方法,最常见的手段就是在基底与氧化铁层之间引入电子阻挡层.上述三种途径都能提高表面空穴注入效率.最后,通过结合上述的一些策略,目前得到的最高性能的氧化铁电极在1.23 V(相对于可逆氢电极)能够达到6 mA cm^?2的光电催化分解水电流,但这个值依然明显低于氧化铁的理论值(12.6 mA cm^?2).这可能是由于体相复合所致.除此之外,氧化铁表面的水氧化机理现在依然不清晰,这些都是需要我们在未来解决的问题.     

GaP/GaPN核壳纳米线阵列修饰的硅光阴极的光电化学制氢反应（英文）

能够大规模同时提升电极的催化效率和稳定性对光电化学分解水系统的开发具有重要意义.硅是一种地球储量丰富且成熟的工业材料,由于其合适的带隙(1.1 eV)和优异的导电性,已被广泛用于光电化学制氢反应.然而,缓慢的表面催化反应和在电解液中的不稳定性限制了其在太阳能制氢中的实际应用.III-IV族半导体材料也具有较高的载流子传输特性且被广泛用于光电器件.其中,GaP的直接带隙和间接带隙分别为2.78和2.26 eV,可与硅组成串联型光电极用于光电化学分解水.然而,GaP的光腐蚀电位位于禁带中,很容易在光电催化过程中发生光腐蚀而导致性能大幅下降.本文报道了一种新型的GaP/GaPN核/壳纳米线修饰的p型硅(p-Si)串联型光阴极,同未修饰的p-Si相比,其光电化学制氢性能更高.这可归因于以下几点:(1)p-Si和GaP纳米线之间形成的p-n结促进了电荷分离;(2)GaPN相对于GaP具有更低的导带边位置,进一步促进了光生电子向电极表面的转移;(3)纳米线结构既缩短了光生载流子的收集距离,又增加了比表面积,从而加快了表面反应动力学.此外,在GaP中引入氮元素还提高了体系的光吸收和稳定性.我们所提出的高效、简便的改进策略可应用于其他的太阳能转换体系.利用简单的化学气相沉积法制备GaP/GaPN核/壳纳米线修饰的p-Si光阴极.首先在p-Si衬底上利用Au纳米颗粒作为催化剂生长GaP纳米线;然后,去除Au催化剂,并在氨气中退火便形成了GaP/GaPN核壳纳米线.高分辨透射电子显微镜,拉曼光谱和X射线光电子谱的表征结果均证实了氨气退火使得GaP纳米线表面形成了GaPN的薄壳层,同时证明了GaP/GaPN核壳纳米线具有可调的核壳结构.在模拟太阳光下作为光阴极用于光解水制氢反应时,GaP/GaPN核壳纳米线修饰的p-Si光阴极的起始电位为~0.14 V,而未修饰的p-Si电极的起始电位大约在?0.77 V.而且,GaP/GaPN核/壳纳米线修饰的p-Si光阴极比未修饰的p-Si光阴极具有更高的光电流密度,在水的还原电位下,其光电流密度为?0.3 mA cm^-2,且饱和光电流密度在?0.76 V时达到了?8.8 mA cm^-2.此外,GaP/GaPN核/壳纳米线修饰的p-Si光阴极的光电化学活性在10 h内没有发生明显下降.由此可见GaP/GaPN核/壳纳米线可以规模化有效地提升Si光电极的催化效率和稳定性.     

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.