高活性、高稳定性、低成本的铜基氧化物光电阴极的合成与研究

Splitting water into hydrogen and oxygen by using solar light as energy and water as the only raw material has been considered as a hotspot in the field of energy chemical industry, which is also an important way to realize the sustainable development and eliminate the pollution of the environment. Copper based oxide semiconductor is a kind of cheap, environmentally friendly material, which is widely used in photoelectrocatalysis. However, different copper based oxide semiconductors also have disadvantages such as low activity and deactivation. At present, in academia it is still unclear that how to prepare highly active, stable and cheap photocathodes with copper based oxide semiconductors. Based on the previous research, this project will systematically study the characteristics of copper based oxide semiconductors, such as crystal facet anisotropy (including carrier mobility, activity and stability), surface and interfacial properties, reaction mechanisms, deactivation mechanisms, kinetics, etc. Besides, specific methods will be applied to stabilize the unstable copper based oxide semiconductors (CuO, Cu2O, etc.), meanwhile, to enhance the hydrogen evolution performance of the delafossite copper based oxide semiconductors. Finally, this project will adopt the optimized copper oxide semiconductor photocathodes to build photoelectrochemical tandem cells and three-component photovoltaic-photoelectrode systems, preparing for the practical applications and large-scale industrialization of this technology.

以太阳光为能源，水为唯一原料生产氢气和氧气，是能源化工领域的研究热点，也是实现能源可持续发展、消除环境污染的重要途径。铜基氧化物半导体是一类廉价易得、环境友好的材料被广泛运用于光电催化领域。但是，不同的铜基氧化物半导体也存在着诸如低活性或易失活等缺点。目前，学术界对如何利用铜基氧化物制备高活性、高稳定性、低成本的光电阴极还没有清晰完整的认识。本项目将在前期研究的基础上，系统研究铜基氧化物的晶面各向异性（包括载流子迁移、活性、稳定性）、表界面性质、反应机理、失活机理、反应动力学等特性。并采取具有针对性的方案，稳定化CuO、Cu2O等易失活铜基氧化物半导体，同时着力提高铜铁矿类铜基氧化物半导体的产氢活性。最后，本项目将采用优化后的铜基氧化物半导体光电阴极构建光电催化水分解串联电池和三元的光伏-光电极体系，为该技术的实用化和大规模工业化做充分准备。

当代，人类社会的能源结构仍然依赖于化石燃料，但是化石燃料也存在着诸多问题，例如：不可再生、温室效应、大气污染等。科学界一直在努力探索将太阳能一步转化至化学能的方式，其中，以太阳光为能源，水为唯一原料生产氢气和氧气，是能源化工领域的研究热点，也是实现能源可持续发展、消除环境污染的有效途径。铜基氧化物半导体是一类廉价易得、环境友好的材料被广泛运用于光电催化领域。但是，不同的铜基氧化物半导体也存在着诸如低活性或易失活等缺点。在本项目的研究中，我们出色地克服了上述难题。首先，我们证实了铜基氧化物半导体的失活源于质子与铜基氧化物表面的接触，因此，保护层的选择必须一方面致密以隔离质子，另一方面必须有利于电子的传导以完成产氢反应。在本项目中，我们通过添加有机聚合物以及金属层等多种方式完成了对铜基氧化物的防护，光电流密度达到了-5.5毫安/平方厘米，并使其在水溶液中的稳定性维持在98%以上。同时，我们发现，铜基氧化物单晶存在晶面差异性，即不同的晶面具有不同的氧化还原特性，为后续铜基氧化物的利用提供了理论基础。本项目的研究成果不仅给铜基氧化物的稳定化提供了理论依据，更提供了具体的实施案例，极大地推动了铜基氧化物半导体作为光电阴极的研究进展。