高效人工光合成体系的构筑

This project will focus on constructing high-efficiency artificial photocatalyst systems for solar hydrogen production from water splitting and deeply investigating the key issues in solar-to-chemical conversion, e.g., the excitation and recombination process of photogenerated electrons and holes, the relationship between the photocatalytic performance and the structure of photocatalyst, and the mechanism of photocatalytic water splitting. Based on these understandings, we plan to investigate the new strategies for photogenerated charge separation, especially for new photocatalyst systems with regular morphologies and wide light absorbance range, and explore efficient dual-cocatalyst by mimicking nature oxygen-evolution-catalyst or atomic clusters. Then we will rational design and construct the highly efficient photocatalyst systems by the combination of good semiconductor-based crystals, efficient charge separation strategies and spatially separated dual-cocatalyst. Furthermore, this project will give great insight into understanding the intrinsic relationship between charge separation efficiency, surface catalytic efficiency and solar-to-hydrogen efficiency for the whole artificial photosynthesis system, developing some new concepts, theories and methods for constructing highly efficient, cheap and most stable photocatalyst systems for solar energy conversion.

本研究项目将通过人工光合成体系的理性构筑，深入研究太阳能-化学能转化整体过程中的关键科学问题，发展高效光催化分解水制氢体系。理解光-化学能量转化过程中光生电子-空穴的激发、分离、复合及传输的规律，揭示光催化剂性能与结构之间的关系，阐明光催化分解水的微观机理。在此基础上，发展高效的光生电荷分离策略，特别是基于可控形貌和晶面暴露的宽光谱响应半导体捕光材料和高效模拟酶分子或原子簇氧化、还原双助催化剂，理性合理设计构筑人工光合成的集成光催化剂体系。进而关联人工光合成集成体系的电荷分离效率、催化反应效率与整体分解水制氢太阳能转化效率的内在关系，发展新的概念、理论和方法，发展并提出构建高效、稳定、廉价的光催化体系普适的科学理论。

人工光合成是道法自然，利用太阳能将水和二氧化碳转化为燃料和化学品，兼备了去碳化和可再生能源安全、大宗能量存储的双重优点。人工光合成又是国际公认的前沿科学领域，受到世界各国的高度重视，国际竞争十分激烈。本项目深入研究太阳能-化学能转化整体过程中的关键科学问题，发展高效光催化分解水制氢体系。理解光-化学能量转化过程中光生电子-空穴的激发、分离、复合及传输的规律，揭示光催化剂性能与结构之间的关系，阐明光催化分解水的微观机理。在此基础上，发展高效的光生电荷分离策略，理性合理设计构筑人工光合成的集成光催化剂体系。项目执行期内，围绕人工光合成中的宽光谱捕光材料、高效助催化剂、光生电荷分离策略以及集成光催化剂体系的组装策略等方面，取得了一系列国际领先的重要研究进展。发展了包括二维镉基金属有机框架单晶新型半导体材料、铋钽卤氧化物以及无机非铅钙钛矿材料等光催化剂新体系，发展了极性诱导的光生电荷分离新策略，光生电荷分离效率超过80%；发展了单核锰催化剂的水氧化活性可媲美自然光合作用催化剂，转化频率超过200 s-1；创新性地提出了可规模化太阳能光催化分解水制氢的氢农场新策略，太阳能光催化分解水制氢效率创国际最高水平记录；基于仿生策略构筑了高效钒酸铋光阳极体系，光电催化分解水制氢效率超过4.3%，目前仍保持光电催化体系的世界记录；首次揭示了表面等离激元光催化剂的电荷分布及产氧位点，为理解和认识等离激元光催化剂体系提供了重要证据。研究成果在Nature Catalysis，Nature Energy，Joule、Angew. Chem. Int. Ed.，J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Energy Envoron. Sci.等学术刊物发表论文33篇，申请具有自主知识产权的专利8件，顺利完成项目各项预期指标。