Nature Energy：新材料助力太阳能制氢

钢铁侠 1周前 (03-18) 402浏览

聚合物供体和非富勒烯受体作为光活性材料在有机太阳能电池的发展中发挥了重要作用，并在太阳能制氢设备中具有巨大潜力。然而，由于它们在水环境中的不稳定性以及与催化剂界面处的复合损失，这些材料在太阳能直接水分解设备中的应用受到了限制。帝国理工学院Salvador Eslava、Jenny Nelson、Flurin Eisner、Matyas Daboczi等人提出了一种新型石墨保护的有机体异质结（BHJ）光阳极结构，用于高效、稳定的太阳能水氧化和无辅助水分解。研究团队通过将PM6:D18:L8-BO三元共混光活性层与功能化石墨片（负载地球丰富的NiFeOOH催化剂）结合，解决了有机半导体在水环境中的不稳定性和界面复合损失问题。该光阳极在+1.23 V vs RHE下实现了超过25 mA cm⁻²的光电流密度，并展现出长达40小时的运行稳定性（保持初始电流的70%）。此外，通过单块串联结构（结合PM6:D18:L8-BO和PTQ10:GS-ISO光活性层），在无外加偏压下实现了5%的太阳能到氢能（STH）转换效率。该研究通过创新的材料组合与器件设计，突破了有机光阳极在效率和稳定性上的瓶颈，为低成本、可持续的太阳能制氢技术提供了重要进展。其核心在于石墨保护层的多功能集成与高效催化剂的协同作用，同时为未来优化光活性层稳定性和界面动力学指明了方向。

主要创新点在于：

1.石墨保护层的多功能设计：石墨片同时作为防水层、导电层和催化剂载体，消除了光活性层与催化剂之间的电学损失，并有效隔绝水环境对有机材料的侵蚀。其高孔隙率（50%）和大比表面积为NiFeOOH催化剂的高效负载提供了理想基底。

2高光电流与低起始电位：单结光阳极在+1.23 V vs RHE下的光电流密度达26.4 mA cm⁻²，接近理论极限（31 mA cm⁻²），起始电位低至+0.63 V vs RHE，显著优于同类有机光阳极（此前普遍低于5 mA cm⁻²）。聚合物-聚合物体系（如PM6:PY-IT）进一步降低起始电位至+0.63 V vs RHE，表明材料能级设计的优化潜力。

3.长期稳定性突破：通过石墨保护和催化剂优化，光阳极在持续运行中展现出数天的稳定性，远超传统有机光阳极（通常仅数分钟至小时）。

4.无辅助水分解技术：单块串联光阳极在无外加偏压下实现4.3 mA cm⁻²的光电流和95%的法拉第效率，STH效率达5%，为低成本有机材料在太阳能制氢中的应用提供了新路径。