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Nat Catal：牛津大学Edman Tsang/华东理工大学吴新平团队报道光解海水制氢新策略

小柯化学 · 公众号 · · 2024-01-04 19:34

正文

随着人类社会对可持续清洁能源的需求日益增加，多相光催化分解水产氢体系受到了越来越多的关注。该催化体系可以将太阳能转化为氢燃料，在能源、环境、催化等多个领域具有重要价值。然而，目前对该体系的报道中，能量转化效率过低，与实际生产应用的要求存在较大差距。同时，对于纯水的大量需求也可能加剧淡水资源的短缺。因此，开发新的催化体系，并充分利用地球广泛存在的海水资源，成为了该领域科研工作者面临的新挑战。

2024年1月4日，英国牛津大学Edman Tsang团队与华东理工大学吴新平团队合作，在Nature Catalysis期刊上发表了一篇题为“Electrolyte-assisted polarization leading to enhanced charge separation and solar-to-hydrogen conversion efficiency of seawater splitting”的研究成果。该成果报道了一种太阳光驱动下海水高温分解产氢的新策略，取得了高达15.9%的能量转化效率，超过了目前已报道的同类体系。同时，该成果清晰地揭示了海水中电解质离子在该催化体系中促进光生载流子分离的作用机制，对该体系在纳米甚至原子尺度有了新的认识，创新地提出了电解质辅助极化效应，并初步探究了其在实际生产应用中的可行性。

论文通讯作者是Edman Tsang、吴新平；第一作者是李易扬。

光催化分解水产氢体系在近几十年来受到了广泛而持续的关注，因其可高效地将太阳能转化为氢能源。氢能具有绿色、高热值等优点，这意味着其可能是取代化石能源、长期储能的一种重要方案。与其他多相光催化体系类似，该体系中存在着以下关键步骤：（1）半导体光催化剂受光激发，产生激发态的光生载流子（电子及空穴）；（2）光生载流子分离并向催化剂表面迁移；（3）到达表面活性位点的光生载流子与反应物相互作用，完成氧化还原反应。太阳能制氢能转化效率是评价该体系性能的重要参数之一，目前，文献报道的能量转化效率大多在5%以下，与实际应用的需求尚存较大差距。这主要是由于光生电子及空穴的分离效率较低，光生载流子发生快速复合，未能参与到后续的化学反应中，以致难以高效利用太阳能。此外，由于海洋中蕴含了地球上超过95%的水资源，所以越来越多的人开始关注到海水的光催化分解，以降低该策略对淡水资源需求的压力。但由于海水中存在着以氯化钠为主的大量电解质离子，其对光催化过程可能产生较为复杂的作用，对此，目前学界尚存有较大争议。由此可见，开发稳定高效的光解海水制氢催化剂，并探究海水中电解质离子在该体系中的作用机制具有关键意义。

Edman Tsang团队和吴新平团队基于之前在高温多相光催化分解纯水方面的工作（Nat. Commun., 2019, 10, 4421; Energy Environ.Sci., 2022, 15, 265-277），构建了晶面调控的氮掺杂二氧化钛纳米颗粒催化剂（N-TiO₂），并将其应用于高温光解海水制氢反应中。该工作首先以较为简单的氯化钠水溶液作为研究对象，以阐明电解质在光催化水分解反应中的作用机制，随即制备了多种人造海水并采集了天然海水展开了更为系统的探讨。催化测试结果表明，光催化反应活性与溶液的离子强度呈正相关，充分体现了电解质离子在该催化过程中的重要作用。

为深入探索电解质效应的作用机制，Edman Tsang团队采用了多种表征技术展开研究。时间分辨光致发光光谱结果表明，光生载流子的寿命也与溶液中的离子强度呈正相关。扫描透射电子显微镜和近常压X光电子能谱结果均表明，光生电子会选择性地向N-TiO₂催化剂的（101）晶面迁移，而光生空穴会向（001）晶面迁移，致使载流子在催化剂内部实现空间上的分离。这种具有晶面选择性的载流子迁移进而使两种晶面分别带有正电荷和负电荷，而带有不同电荷的表面会分别吸引带有相反电荷的电解质离子，在催化剂表面附近形成局部电场。局部电场随即会反作用于催化剂内部的光生载流子，延长其寿命。最终，这种电解质辅助极化效应大大提升了催化产氢的活性及能量转化效率。吴新平团队构建了贴近实际光催化反应体系的模型，开展了系统的密度泛函理论（DFT）计算，并创新性地提出了电解质诱导电荷极化能作为指标定量衡量电解质辅助极化效应，建立了该指标与光催化反应活性以及光生载流子寿命的关联，为上述电解质辅助极化效应的作用机理提供了详实的理论依据。

图1：Pt/N-TiO₂催化剂的光催化水分解活性测试及时间分辨光致发光光谱。

图2：N-TiO₂材料的高角度环状暗场扫描透射电子显微成像结果。

图3：N-TiO₂材料的近常压X光电子能谱研究。

图4：电解质辅助电荷极化效应的理论计算模拟。

图5：高温光解海水制氢体系的量子效率等性能测试及机理讨论。

综上所述，本工作系统地展示了高温条件下光解海水制氢的新策略，阐明了电解质离子在该体系中的关键作用，并初步评估了该体系在实际应用中的可行性。该工作为光催化分解水体系的工业化提供了新的思路，有望推动该研究领域的进一步发展。