苏州大学Energy Environ. Sci.: 基于C3N4催化剂的光电化学池实现太阳能到电能直接转换

【引言】

太阳能是可再生可持续的清洁能源，当前已经有很多关于太阳能转换的研究，其中最重要的一个转换目标就是把太阳能转换为电能。对此，太阳能电池的研究已经做到了接近火电的成本，有望真正实现大规模应用。太阳光照的间断性，为太阳能电池的应用带来了一系列问题。相对的，燃料电池可以随时将储存的化学能转换为电能供人们使用。本文正是基于这一考虑，设计了一种光电化学池。它可以利用O₂/H₂O氧化还原对在太阳光驱动下产生电能，也能以化学能形式存储生成的中间产物H₂O₂，在没有光照的时候，像燃料电池一样把储存的化学能转换为电能。这种光电化学池可以启发研究者思考如何设计和研究太阳能转换器件，促进光催化和光电催化研究深入拓展。

【成果简介】

近日，苏州大学功能纳米与软物质研究院的康振辉教授、刘阳教授和Yeshayahu Lifshitz讲座教授（共同通讯作者）在Energy & Environmental Science上发表最新研究成果“A g-C₃N₄ based photoelectrochemical cell using O₂/H₂O redox couples”。以O₂/H₂O作为氧化还原对，研究设计了一种基于g-C₃N₄的光电化学池，克服过电势太大的困难，获得0.91 V的开路电压以及高达0.156 mW cm^-2的能量密度。同时，它可以在两极分离的情况下通过光照产生H₂O₂作为化学能储存，没有光源时就可以像燃料电池一样消耗H₂O₂工作（面积比容量达到350 mC cm^-2，质量比容量达到237 C g^-1）。

【图文导读】

图1：光电化学池工作机理图示

阳极：负载g-C₃N₄的Ni网。g-C₃N₄捕光并将H₂O氧化为H₂O₂，接着Ni网将H₂O₂氧化为O₂。

阴极：[Fe^Ⅲ(Pc)Cl]与g-C₃N₄混合物喷涂在碳纸上。从外电路过来的阳极电子催化g-C₃N₄将O₂还原为H₂O₂，[Fe^Ⅲ(Pc)Cl]进一步将H₂O₂还原为H₂O（还原过程三价Fe变为四价，而四价Fe又可以通过电子迁移回到三价）。

图2： g-C₃N₄形貌及光电化学池性能

a. 多孔g-C₃N₄ TEM图

b. I-V（黑色）和I-P（蓝色）曲线图，0.1 M HCl（light：100 mW cm^-2 AM 1.5G；Fuel cell：暗状态，含有300 mM H₂O₂）

图3： 光电化学池变量调控及稳定性能

Seawater 表示用HCl将pH调整至1后的海水

a. OCP（开路电压）和功率密度在不同pH值的盐酸溶液中

b. OCP和功率密度在不同NaCl浓度中（0.1 M HCl）

c. I-V和I-P曲线图在0.1 M HCl与pH 1海水溶液中

d. 功率密度测试三个循环在0.1 M HCl与pH 1海水溶液中

图4： H₂O₂存储/利用实验

a. 不同负载下的放电曲线（光储存-光照30分钟存储得H₂O₂）

b. 50 Ω负载下的电池容量-光储存时间关系图

c. 50 Ω负载下的三次连续光储存-放电循环

d. 50 Ω负载下光储存30分钟得到H₂O₂的保持时间对电池容量的影响

图5： 光电化学池装置示意图

a. 光电化学池（O₂/H₂O氧化还原对）

b. Nafion膜隔离的双组件光电化学池

【小结】

研究基于g-C₃N₄设计了一种以O₂/H₂O作为氧化还原对的光电化学池（以H₂O₂作为反应中间体）。在光照下，若是选择性地生成并存储H₂O₂，那么，在无光条件下，H₂O₂可以把化学能转化为电能——以燃料电池的方式工作。这种新型的光电化学池器件结合了前人的相关研究工作，首次实现以化学能为中转形式，将太阳能转换为电能，克服了太阳能电池依赖光源的弊端。同时，器件也获得了较好的电池性能，为太阳能转换研究和器件设计提供了新思路。

文献链接：A g-C₃N₄ based photoelectrochemical cell using O₂/H₂O redox couples（Energy Environ. Sci. 2018, DOI: 10.1039/C7EE03459H）

【团队简介】

康振辉教授科研团队立足于苏州大学功能纳米与软物质研究院，长期以碳、硅纳米结构和金属/半导体纳米粒子等为研究核心，致力于揭示介观体系中纳米粒子的表面化学、催化特性、光电化学性质等。构筑纳米复合体系，并对其进行设计与功能调控，实现了高效能源转化与存储应用，包括太阳能光解水、二氧化碳还原和燃料电池等。

【团队在该领域工作汇总】

康振辉教授科研团队构筑了一系列纳米复合体系，并进行设计与功能调控，实现了高效能源转化与存储应用，包括太阳能光解水、二氧化碳还原、绿色催化和燃料电池等。报道了不含金属的石墨烯氮化碳（g-C₃N₄）和碳点制备获得纳米复合材料，其可以利用太阳能实现高效的光催化分解水经过两电子氧化还原过程产生氢气和氧气；设计四氧化三钴/碳点/氮化碳（Co₃O₄-CDots-C₃N₄）复合电催化剂，实现高效、高选择性、稳定地还原CO₂制备合成气，并可以通过控制电位调控H₂/CO比例；调控设计了拥有低铂含量的铂/四氧化三钴/碳点（Pt-Co₃O₄-CDs/C）阳极催化剂，其有高效地电催化活性和稳定性，以它作为阳极催化剂的甲醇燃料电池的最大功率密度是基于商业铂碳催化剂的电池的1.7倍；制备出磷、硼元素掺杂的g-C₃N₄多孔材料拥有高效的氧还原反应催化活性和稳定性。

【相关优质文献】

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本文由材料人编辑部新人组曹晓虎编译，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。

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