【IOP专栏】太阳能水裂解路线图：当前研究现状和未来前景

【引言】

太阳能水分解是实现太阳能转化生产清洁可再生氢能的理想方法，同时也是未来解决能源与环境问题的理想途径之一。近半世纪以来，各种各样的半导体材料，包括金属氧化物、氮化物、硫族化物、硅、III-V族化合物和有机物，应用于太阳能水分解反应，但如何设计稳定、高效、廉价的太阳能水分解装置一直面临巨大的挑战。

【成果简介】

近日，麦吉尔大学的储升博士（第一作者，通讯作者）以及密歇根大学和麦吉尔大学的米泽田教授带领的团队联合波士顿学院的王敦伟教授课题组、托莱多大学的鄢炎发教授以及密歇根州立大学的Thomas Hamann教授（共同通讯）撰写题为Roadmap on solar water splitting: current status and future prospects的综述文章，以Roadmap的形式发表在IOP顶级期刊Nano futures 上。该文全面综合性地总结了太阳能水分解的发展现状，并对光阴极材料，光阳极材料，特别是叠层光电化学系统进行了深入的总结和探讨。另外，在此基础上，该文还对该光电极材料未来的发展方向进行了展望，并深入探讨实现高效稳定经济的太阳能水分解的有效途径。

【图文导读】

图1. 三种光解水类型的示意图： PC 系统, PEC电池, PV-E.

PC和PV-E具有低效率和高成本的各自的局限性，而PEC则位于中间能够在成本可承受的情况下实现高效率；

图2. 串联PEC水分裂装置的原理图

（a）宽带隙光阳极和窄带隙光阴极；

（b）宽带隙光阴极和窄带隙光阳极；

图3. 众多半导体材料的带隙和带边位置以及相应的水分解的氧化还原电位(pH=0)

宽带隙材料可以作为顶部吸收层，窄带隙材料可以作为底部吸收层。

图4. 串联PEC水解装置的全光谱

具有∼1.7 和∼1.1 eV优化带隙的串联PEC水解装置所覆盖的太阳光谱，插图为串联装置的示意图；

图5. 在不同条件下能带的示意图

(a) 半导体和电解液接触之前；

(b) 在平衡条件下，在没有光的情况下接触；

(c) 准平衡光照条件下。各种过程被标记为如下。 (1) 光激发产生电荷; (2)背接触的电子萃取; (3) 空穴传输到表面态; (4) 空穴传输到电解液; (i) 体相复合; (ii) 表面复合; (iii) 表面态电子捕获

图6. 光电极理想情况和实际系统-的光电流——电势关系

光电极理想情况和实际系统的光电流——电势关系

图7. PEC电池基本组件示意图

(a) 带有金属阴极的单带隙光阳极；

(b) 光阳极和光阴极分开连接的的叠层构型；

(c) 光阳极和光阴极背靠背式连接的叠层构型。

【总结】

在全球范围内，通过太阳能水分解来模拟自然光合作用的人工光合作用是一种非常具有前景的方法来直接将光能转化为化学燃料，比如氢气。作为人工叶子的光吸收半导体材料在决定人工光合装置的性能方面起着至关重要的作用。研究团队提出三种平行的方法来达到既高效又稳定的材料系统:(一）使稳定的材料更有效率，（二）使高效的材料更稳定，（三）发现本质上既稳定又高效的新材料。同时该研究团队在金属氧化物，硅，III–V化合物，TMDs等材料在光解水的研究中取得了重大的突破。

文献链接：Road map on solar water splitting: current status and future prospects, (Nano Futures, 2018, https://doi.org/10.1088/2399-1984/aa88a1)

本文由材料人编辑部陈博提供，感谢原作者及【IOP】编辑的校稿审核！

材料人与IOP出版社联合推出【IOP专栏】，报道IOP旗下期刊精彩研究进展。本文系【IOP专栏】第1篇。

Nano Futures是英国物理学会（institute of Physics, UK）的旗舰刊，2017年的新刊，发表纳米研究领域前瞻性的研究成果，一年四十篇稿件，大多数都是邀请稿，主编，编委和编辑团队来源于Nanotechnology。

材料人专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部大家庭。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。