无偏压光催化分解水器件的构建与太阳能－氢能转化性能的研究

Photoelectrochemical water splitting provides us with hydrogen, the clean energy source, which will alleviate the increasingly severe energy crisis and environmental problems. The construction of photoelectrochemical (PEC) water splitting cells is vital to the realization of hydrogen economy. At present, the construction and optimization of photoelectrochemical water splitting cells is hampered by the lack of ideal photoelectrode materials and the poor understanding of the interaction between photoelectrodes and electrolytes. Based on our previous results about the limiting factors of the oxides (α-Fe2O3, BiVO4) and (oxy)nitrides (Ta3N5, LaTiO2N, SrTaO2N, LaTaON2) photoanodes, we are planning to optimize their charge transport and surface reaction aiming at increasing the solar photocurrents of the photoanodes, lowering their onset potentials and stabilizing the (oxy)nitrides photoanodes. As for the photocathodes, surface modification will be adopted to raise their onset potentials and make them stable in different electrolytes or electrolyte with a wide range of pHs, leading to their availabilities for the PEC cells. We are willing to fabricate a module device of the PEC cell with the solar-to-hydrogen efficiency of 6% under AM1.5G stimulated sunlight (100 mWcm-2) without extract bias by combining the optimized photoanodes and photocathodes. Besides, the techniques for the fabrication of large area （≥100mm×100mm）photoanodes will be found out and the bipolar member will be used to separate the hydrogen and oxygen. This project will promote the commercialization of the PEC water splitting cells.

光电化学分解水能够制备清洁能源-氢气，有望缓解日益严峻的能源危机和环境问题。目前，理想光电极材料的缺乏以及对光电极跟电解液之间相互作用的认识不足制约着系统的构建与优化。基于前期对制约氧化物（α-Fe2O3、BiVO4）和氧氮化物（Ta3N5、LaTiO2N、SrTaO2N、LaTaON2）因素的研究，拟从载流子输运和表面反应两方面着手，提高光阳极材料的饱和电流，降低其开启电势以及提高氧氮化物薄膜电极的稳定性。对于光电化学分解水系统的另一关键部件-光阴极，拟通过表面修饰提高其开启电势，增强其在不同电解液中的稳定性，为系统的构建奠定基础。通过结合优化的光阳极和光阴极或光伏器件构建无偏压光电化学水分解系统，拟获得6%太阳能-氢能转换效率的系统原型装置。此外，拟解决制备大面积（≥100mm×100mm）薄膜光阳极的工艺以及尝试引入双极膜解决氢氧分离的问题，推动光电化学分解水系统的商业化应用进程。

光电催化分解水制氢是将太阳能转化为化学能的一种重要途径。目前缺乏高效、低成本、宽光谱响应的光电极材料，而且光生电荷在光电极体相和表界面处复合严重，制约其应用。探索新型、廉价、高效、稳定的光电极材料和寻找有效减少电荷复合的策略是目前的研究热点。. 通过四年的努力，本项目获得了SrTaO2N、LaTaON2等宽光谱响应的新型（氧）氮化物光电极材料。提出了亚稳相光电极材料的概念，发现了h-YFeO3和β-Fe2O3亚稳相光电极材料。利用掺杂（例如Zr）抑制β-Fe2O3发生相变，提高热稳定性，同时增加了载流子浓度，显著提升了光电催化分解水制氢的性能。Zr掺杂的β-Fe2O3的饱和光电流达到了1.2 mA cm-2。该成果为探索新型光功能材料提供了新思路。. 本项目揭示了影响光电催化性能的关键因素，提出了改善光生电荷在体相和界面处分离和传输的策略。揭示了颗粒组装薄膜光阳极电荷传输的限制因素，系统总结了电连接处理材料的选用原则。通过选择合理的电连接处理材料，构建电荷传输通道，有效的提高了电荷分离效率，从而提高了太阳能-氢能转换效率。发明了无机蒸气反应沉积的方法制备高质量的原位生长的（氧）氮化物薄膜光电极，减少了光生电荷的复合，使得SrTaO2N光阳极在模拟太阳光辐照下分解水的光电流超过了5.0 mA cm-2。通过改变非化学计量的O/N比，调控了TaON光阳极的空间电荷层厚度和薄膜导电性，增加载流子浓度和电荷分离效率，显著提高了光电化学分解水性能。以BiVO4为模型化合物，通过修饰电催化剂或调控电子传输层的制备工艺，改善其电荷的传输路径，提高了表面电荷转移效率或电荷的分离效率。构建了大面积（100mm×100mm）无外加偏压光电化学分解水器件。. 本项目在Natl. Rev. Sci.、Research、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Today、Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B：Environ.、Sci. Bull.、J. Phys. Chem. Lett.等学术期刊上共发表学术论文35篇。申请国家发明专利5件，其中获得授权发明专利1件。在本项目的支持下，项目负责人获得国家杰出青年基金项目资助，入选“江苏省特聘教授”。本项目执行期内，项目负责人还获得江苏省科学技术一等奖。