【導(dǎo)讀】

太陽能被認(rèn)為是浙江解決全球日益增長的清潔能源需求和相關(guān)氣候問題的關(guān)鍵解決方案。為了解決太陽輻射的大學(xué)時空波動問題，一個策略是用界用材通過人工光合作用將太陽能捕獲為可儲存和可運輸?shù)奶柲苋剂?例如H₂和H₂O₂)。在主要的量調(diào)略增料牛光合系統(tǒng)中，顆粒光催化劑因其簡單性和可擴(kuò)展性而被認(rèn)為是節(jié)策最具成本效益的一種，但其能量轉(zhuǎn)換效率仍需提高才能獲得可行的強(qiáng)人應(yīng)用。同時由于顆粒光催化劑中的工光電荷分離是由其還原位點和氧化位點之間的不對稱界面能學(xué)驅(qū)動的，因此增強(qiáng)這一過程需要在不損害表面反應(yīng)動力學(xué)和選擇性的合作前提下對界面能進(jìn)行納米級調(diào)整。

【成果掠影】

近日，浙江浙江大學(xué)褚馳恒教授通過一種總體策略來實現(xiàn)上面的大學(xué)目標(biāo)，該策略涉及在各種光催化系統(tǒng)上展示的用界用材核/殼型助催化劑的應(yīng)用。H₂O₂生成高效率驗證了對調(diào)整界面能量學(xué)以增強(qiáng)電荷分離和光合作用性能的量調(diào)略增料牛觀點。特別是節(jié)策，這一策略在BiVO₄系統(tǒng)上得到了突出體現(xiàn)，強(qiáng)人該系統(tǒng)用于整體H₂O₂光合作用，工光太陽能到H₂O₂的轉(zhuǎn)化率為0.73%。相關(guān)成果以“A general interfacial-energetics-tuning strategy for enhanced artificial photosynthesis”發(fā)表在Nature Communications上。浙江大學(xué)劉添為一作，浙江大學(xué)褚馳恒教授和日本中央大學(xué)理工學(xué)院Zhenhua Pan教授為共同通訊作者。

【核心創(chuàng)新點】

本研究證明了用于界面能量調(diào)節(jié)的核/殼助催化劑結(jié)構(gòu)的可行性，并且證明了其對于增強(qiáng)光合作用系統(tǒng)中的電荷分離和性能的高度通用性。

【數(shù)據(jù)概況】

圖1:Ag/Pd核/殼型輔催化劑在BiVO₄上的面選擇性負(fù)載和界面能量學(xué)調(diào)整。

a Co、Ag和Pd在BiVO₄上的逐步和面選擇性光沉積。b能量色散x射線能譜(EDS)元素映射和線剖面，以及CoO_x/BiVO₄/(Ag/Pd)的白色箭頭。c, d在BiVO₄上負(fù)載Ag/Pd粒子的掃描透射電子顯微鏡(STEM)-EDS元素映射。e BiVO₄、BiVO₄/Ag、BiVO₄/Pd、BiVO₄/(Ag/Pd)的紫外光電子能譜(UPS)。f BiVO₄上Ag/Pd核/殼共催化劑構(gòu)建{ 010}還原面界面能量學(xué)調(diào)整示意圖。?2022 Springer Nature

圖2:H₂O₂光合作用總量。

a光催化生成H₂O₂的時間過程。b BiVO₄、BiVO₄/Ag、BiVO₄/Pd、BiVO₄/(Ag/Pd)產(chǎn)H₂O₂的選擇性。c各種核殼輔催化劑的制備及H₂O₂光合作用性能與核結(jié)金屬功函數(shù)的關(guān)系。d富?OH條件下CoO_x/BiVO₄/(Ag/Pd)和C₃N₄/Pd H₂O₂光合作用活性的衰減。e重復(fù)使用CoO_x/BiVO₄/(Ag/Pd)進(jìn)行H₂O₂光合作用。f CoO_x/Mo:BiVO₄/(Ag/Pd)光催化生成H₂O₂的時間進(jìn)程及相應(yīng)的STH效率。g H₂O₂在CoO_x/Mo:BiVO₄/(Ag/Pd)上光合作用的表觀量子產(chǎn)額(AQY)隨入射光波長的變化。?2022 Springer Nature

圖3:載流子動力學(xué)。

a, b在2000 nm處探測的自由/淺俘獲電子和在505 nm處探測的俘獲空穴的瞬態(tài)分布。c, d在真空和HCOOH蒸汽存在下，在505 nm處探測c CoO_x/BiVO₄/Pd和d CoO_x/BiVO₄/(Ag/Pd)俘獲孔的瞬態(tài)分布。e通過表面能量學(xué)調(diào)整增強(qiáng)的電荷分離過程示意圖。?2022 Springer Nature

圖4:光載流子分布的模擬。

a, b BiVO₄作為太陽能電池的示意圖模型和能帶圖。c在陰極位置(Φ010)，隨著勢壘高度，電流密度與應(yīng)用電位變化范圍為0至0.4 V(灰色虛線箭頭)。d - i BiVO₄粒子光電特性的二維截面圖，包括導(dǎo)帶能量(eV) (d, e)、電子濃度(f, g)和空穴濃度(h, i)。j - m能帶圖(j, k)和移動載流子密度(l, m)的一維圖。?2022 Springer Nature

圖5:增強(qiáng)人工光合作用的界面-能量-調(diào)節(jié)策略的通則。

a C₃N₄/Pd、C₃N₄/(Ag/Pd)，b TiO₂/Pd、TiO₂/(Ag/Pd)光催化H₂O₂生成的時間過程。c有效界面能量調(diào)節(jié)和增強(qiáng)人工光合作用的一般方法。?2022 Springer Nature

【成果啟示】

總之，本研究驗證了界面能量學(xué)的調(diào)整是增強(qiáng)電荷分離的一種普遍有效的方法，這是設(shè)計高性能光催化劑的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。核/殼Ag/Pd共催化劑的構(gòu)建降低了BiVO₄{ 010}面的肖特基勢壘，而不影響表面反應(yīng)，導(dǎo)致能量學(xué)和電荷分離的整體不對稱性增強(qiáng)。通過成功調(diào)整界面能量學(xué)，BiVO₄生成的H₂O₂在全光譜下AQY為3.0%，STH效率為0.73%，這是無機(jī)半導(dǎo)體體系的新記錄。正如BiVO₄用于H₂O₂產(chǎn)生所強(qiáng)調(diào)的那樣，這種調(diào)整界面能量學(xué)的策略一般可以應(yīng)用于其他光合系統(tǒng)，以促進(jìn)太陽能燃料的生產(chǎn)，如水分解和二氧化碳減少。

參考文獻(xiàn)：Liu, T., Pan, Z., Kato, K. et al. A general interfacial-energetics-tuning strategy for enhanced artificial photosynthesis. Nat Commun13, 7783 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41467-022-35502-z

本文由春國供稿。