分子催化剂/铁酸锌复合光阳极的构建与分子工程研究

Assembling photoanodes for light-induced water splitting, converting solar energy into hydrogen energy, is always the research focus of new energy industry. Aiming at the poor ability problems of composite photoanodes, this project will assemble composite photoanodes with morphologically optimized and doped Zinc Ferrite as light-absorbing semiconductor, well-researched and easily-modified [Ru(bda)L2] as water oxidation catalyst. Through the research on molecular engineer of molecular catalyst, associate the molecular structure – effective distance - photoelectrochemical performance, combine with density functional theory and discover the relationship between the effective distance and photoelectrochemical performance. Study the synergistic enhancement effect and illuminate the mechanism of molecular catalyst on composite photoanodes. This project would improve the photoelectrochemical performance and provide theoretical and practical basis for composite photoanodes assembled with molecular catalyst.

构建高效光阳极实现光驱动水分解制氢，将太阳能转化为氢能，一直是新能源产业研究重点。本项目针对分子催化剂参与的复合光阳极存在的低活性技术瓶颈，拟以形貌调控、金属元素掺杂优化的铁酸锌半导体为捕光材料，研究相对成熟、易于结构改造的[Ru(bda)L2]为催化活性中心，构建复合光阳极。通过复合光阳极中的分子工程研究，关联催化剂分子结构-有效距离-光电化学性能，结合密度泛函理论，探索分子催化剂的活性中心与半导体之间的有效距离对光阳极光催化性能的影响。研究光驱动水分解过程中分子催化剂的催化活性中心的协同增强效应；揭示分子催化剂在铁酸锌半导体界面上的作用机制。本项目的成功实施显著提高复合光阳极光电催化活性，为复合光阳极的构建提供理论支持与技术储备。

针对分子催化剂参与的复合光阳极存在的低活性技术瓶颈，以铁酸锌半导体为捕光材料[Ru(bda)L2]为催化活性中心，构建复合光阳极。通过复合光阳极中的分子工程研究，研究催化剂分子结构-有效距离-光电化学性能，结合密度泛函理论，探索了分子催化剂的活性中心与半导体之间的有效距离对光阳极光催化性能的影响；揭示分子催化剂在铁酸锌半导体界面上的作用机制；为复合光阳极的构建提供支持。针对氮气分子活化困难、催化选择性低等瓶颈问题严重制约该工艺的发展。通过催化微环境优化，调节催化界面上反应供给，调控微观动力学，提升催化选择性的新策略。增强氮气分子的活化能力，优化界面上的有效电子传输，调节特定电势下活化氮气分子、活性氧基团供应和电子导出速率；实现高效电化学氮气氧化合成硝酸。并通过原位、动态的催化表征技术，结合第一性原理计算与微观动力学模拟，明确N≡N断裂关键步骤中活性氧基团的协同作用机制，揭示催化界面微观动力学规律，阐释催化剂微尺度结构与反应动力学的定量关联，为高效电化学氧化催化剂的制备提供理论支撑。