高效低维光阳极的制备及其在双光电极光催化全分解水中的应用研究

Tandem dual-photoelectrode (photoanode-photocathode) system for overall water splitting is very promising for the generation of clean energies due to its low cost and highly theoretical solar to hydrogen (STH) conversion efficiency. However, in practice, the STH efficiency of dual-photoelectrode system is still very low because of the limit of photoanodes, which makes the photoanodes the key in this research area. In this project, due to their specific structures and distinct photoelectric properties, low-dimensional nanomaterials will be applied to prepare highly efficient photoanodes, which energy levels and photoelectric properties will be tuned by doping and co-catalyst decoration, and the performance of resulted tandem dual-photoelectrode system by connecting the photoanode to a typical Cu2O nanowire photocathode will be investigated. The applicants will research on the influence of the low-dimensional nanomaterials on the performance of the dual-photoelectrode system, optimize the devices, unravel the mechanisms related to the photoelectric property and overall water splitting of the dual-photoelectrode system. This project aims to build a dual-photoelectrode system with highly efficient and stable light-driven overall water splitting, and provide new concepts for the development of novel photoelectric materials and rational design of photovoltaic devices.

串联双光电极（光阳极-光阴极）全分解水由于其低廉的成本和较高的太阳能-氢能理论转化效率，在清洁能源制备方面具有重要的应用前景。但是由于光阳极性能的限制，目前双光电极体系光催化全分解水的效率仍比较低，因此高效光阳极的制备成为该研究领域的关键。本项目拟利用低维纳米材料独特的结构和优异的光电性质，制备一系列具有高效光电催化性能的光阳极，并通过掺杂和表面助催化剂修饰等手段，有效调控光阳极能带结构及其光电性质，考察其与Cu2O纳米线光阴极串联组成的双光电极体系光催化全分解水的性能。建立光阳极低维纳米材料光电性质与双光电极体系性能之间的联系，优化器件性能，探索双光电极体系光电转化和全分解水性能的内在机制。本项目将构筑具有高效稳定光催化全分解水性能的双光电极体系，并为新型光电转化材料的开发和光电器件的设计提供新的思路。

光电催化分解水在制备氢能方面具有很大潜力，其中发生在光阳极的水氧化反应是双光电极全分解水体系的科学瓶颈。为建立高效稳定的双光电极全分解水制氢体系，本项目提出利用纳米材料独特的结构和优异的光电性质，并通过发展高效水氧化助催化剂（电催化剂）对光阳极进行修饰改性，有效调控光阳极能带结构及其光电性质，制备高效稳定的光电催化水氧化光阳极。在项目执行中，项目基本按照计划顺利实施，并围绕钒酸铋光阳极和高效水氧化助催化剂（电催化剂），取得了一系列成果。在ACS Nano、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials等知名学术期刊发表论文20篇。所取得的代表性成果有：（1）使用助催化剂表面修饰、构建同质异构结和引入阳离子空位等多种手段，制备了多种具有较高光电催化水氧化性能的新型钒酸铋光阳极，并探索了内在的构效关系和多种手段对性能提升的作用机制，为构筑高效稳定的双光电极全分解水制氢体系提供了理论和实验支持。（2）发展了多种基于廉价过渡金属的助催化剂（电催化剂），使用掺杂、复合和晶体工程等方法提高其析氧性能，并重点探讨了其在催化析氧过程中的结构转化，探索其在催化过程中活性位点的转变机制，揭示了相关催化剂的真实水氧化催化活性物种，对于理解催化剂在催化过程中的结构重构和相关机理，具有重要意义。（3）发展了高效双功能全解水催化剂，组装了光/电驱动双电极全解水体系，为大规模合成用于全解水的低成本催化剂提供了指导平台。以上成果为新型高效光电催化分解水制氢体系的构建提供了新思路。