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精细化工国家重点实验室在人工光合作用研究领域国际合作成果显著

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利用太阳能将水全分解为氢气和氧气或将二氧化碳还原为碳水化合物如甲醇,然后以氢气作为能源载体或甲醇作为碳中性燃料,替代石油、煤炭等化石资源可从根本上解决全世界的能源需求及环境污染问题。经过数亿年的进化,大自然发明了高效光转化作用模式——光合作用以绿色植物等为依托,自然界借助太阳光,在由四核锰/钙簇构成的释氧中心(OEC)把水氧化为氧气效率为每秒100400,水氧化产生的质子和电子再将二氧化碳还原形成石油、煤炭等化石资源的起始原料有机化合物。人工模拟光合作用已成为开发新一代清洁能源的钥匙。制约人工光合作用发展的核心技术之一是开发高效水氧化催化剂。

精细化工国家重点实验室孙立成教授带领的人工光合作用研究组与瑞典皇家工学院合作,通过巧妙的分子设计制备了一类结构简单的水氧化催化剂,其催化水氧化效率到达了每秒1000次以上,就催化剂本身与天然光合作用的释氧中心(OEC媲美基于对分子水氧化催化剂机理方面的深入理解,近期成功制备出一种含镍钒双金属氢氧化物纳米材料催化剂 (Nature Commun. 2016, 7, 11981),在碱性介质中电催化水氧化过电位低、电流密度高、稳定性好,是目前报道的最高效水氧化电催化剂之一除此之外,还将镍金属氢氧化物纳米材料催化剂与碳纳米管结合制备出了水氧化电催化剂(Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1600516),其催化活性高(TOF大于每秒16次)、过电位低、稳定性好,人工光合作用走向实用化奠定了坚实的科学基础

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在新型太阳能电池研究领域,如钙钛矿太阳能电池新型空穴传输材料结构的设计,目前普遍使用的空穴传输材料为Spiro-OMeTAD,这一材料合成复杂且价格昂贵,制约了电池的大规模应用。孙立成教授分子剪裁设计合成了一系列专门用于钙钛矿太阳能电池的新型有机空穴传输材料 (Energy Environ. Sci. 2016, 9, 837-877Nano Energy. 2016, 23, 40-49Nano Energy. 2016, 23, 138-144Nano Energy. 2016, 26, 108-113),如业内称为X60的有机空穴传输材料,合成简单成本低,可取代目前普遍使用的Spiro-OMeTAD,并被几家公司商业化生产。这类新型有机空穴传输材料不仅可以用于钙钛矿太阳能电池,还可以用于固态染料敏化太阳能电池中,使这类太阳能电池的大规模应用向前迈进了一步。

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