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我校在太阳能转换领域取得重要进展

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氢气是一种高效、清洁的新型能源载体,利用太阳能分解水制氢对于人类应对环境以及能源问题具有重要价值。近期,我校精细化工国家重点实验室孙立成院士团队在太阳能燃料和太阳能电池前沿基础科学研究领域取得了一系列重要进展。

1高效分解水催化剂设计、制备新思路

利用太阳能分解水制氢通常由氧化水产氧和还原质子产氢两个半反应耦合而成,而水氧化半反应(OER)是构建人工光合作用体系的技术瓶颈。受自然界绿色植物和蓝藻中光合作用中心附近氨基酸残基中羧酸官能团的相关作用启发,团队李福胜副研究员通过原位电化学沉积方法,将未配位羧酸配体引入到镍/OER催化剂反应中心周围,加速质子转移。电化学测试表明,NiFeCP/NF表现出优异的电催化OER活性,其过10 mA cm-2电位仅为188 mVTafel斜率仅为29 mV dec-1,稳定性良好。该工作为在分子水平理解水氧化反应和催化剂的设计提供了一个新思路,相关成果发表在Nat. Commun. (2019, 10, 5074)上。

 

电催化水氧化对于以间接方式将太阳能转化为化学能具有重要意义,是实现高效水分解的重要途径之一。团队李斐教授利用小分子金属有机配合物作为前驱体,通过溶剂热解方式,制备新型碳基复合材料。在有机配体向纳米碳转化过程中,分子亚单元的存在对金属中心起到有效的限域、分散作用,所得CoFe(OH)x/C介孔材料的析氧过电位大幅降低。这种高性能水氧化催化剂的开发为降低电解水的能耗提供了新的方案(Adv. Sci., 2019, 6, 1900117。团队侯军刚教授合成了氮掺杂的碳层包裹氮氧化钨电催化剂(NC/Vo-WON),表现出优异的电催化活性,仅在过电位为16 mV下获得10 mA cm-2的电流密度,Tafel斜率仅为33 mV dec-1,稳定性良好 (Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1803693)。因其在三维电催化剂研发方面取得了一系列优秀成果,受邀撰写综述文章 (Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1808367)。为实现高效光催化水分解,侯教授从材料学角度出发,通过锂化学工艺构筑了ZVs-ZnIn2S4/WO3二维异质结催化剂,有效调控了Vs-ZnIn2S4WO3界面间的电荷分离与传输,使其体系光催化制氢速率提升到11.09 mmol g-1 h-1 ,大大提高了激发电荷寿命(Nano Energy, 2019, 59, 537)

 

2高效分解水器件设计及构建新策略

高效分解水制氢分子催化剂如何在太阳能转换器件中得以应用是本领域所面临的巨大挑战,其方法之一是构建分子催化剂和光敏剂负载于宽带半导体薄膜的染料敏化光电极和光电化学池。李斐教授和美国北卡罗莱纳大学Thomas Meyer教授合作,创新了分子催化剂在界面的组装方式,将NiO空穴传输层嵌入光敏剂和催化剂之间,精准模拟PSII中酪氨酸摆渡电子的功能,优化这一复杂体系的电子传递链,使光阳极稳定性大幅提升,解决了染料敏化光电极目前所面临的瓶颈问题相关成果发表于PNAS, 2019, DOI:10.1073/pnas.1821687116

体内维持生命活动的氧化、还原反应大多以水为氢、氧来源。团队张培立副教授受此启发,设计构建了一种以水为氢、氧源的电催化有机物同步氧化与还原体系。在阳极实现一种有机物氧化的同时,在阴极实现另一种有机物的还原。以NiBx为工作极,以5-羟甲基糠醛氧化制2,5-呋喃二甲酸为阳极半反应,以对硝基苯酚还原制对硝基苯胺为阴极半反应,耦合构建以水为氢、氧源的全反应电解池。实现了同步的高转化率、高选择性催化(≥99%Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 9155

3、新型太阳能电池的开发

染料敏化太阳能电池(DSSCs)的电子注入能量损耗是阻碍其突破的关键问题之一。为此,团队杨希川教授设计了两种三聚咔唑光敏剂用于DSSCsZL001ZL003分别以柔性Z型双键和刚性单键连接给体和受体。经动力学研究, ZL003具有更快的电子注入能力,更低的振动弛豫能量损失。ZL003的器件实现了13.6%光电转换效率,是迄今为止单一光敏剂电池的最高记录,第三方认证效率12.4%亦是DSSCs目前认证最高效率,相关成果发表在ACS Energy Lett., 2019, 4, 943−951上。

 

高效稳定、成本低廉的空穴传输材料的研究和开发对实现钙钛矿太阳能电池的商业化具有非常重要的意义。团队于泽副研究员在前期工作的基础上,进一步通过分子修饰,设计合成了酞菁铜衍生物CuPc-BuCuPc-OBu采用非掺杂的CuPu-OBu作为空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池最优取得了17.6%的光电转换效率,表现出良好的长时间空气稳定性该成果发表在Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1803287。杨希川教授研究发现分子的平面性会制约成膜性与电荷传导,通过分子设计,基于二甲氧基三苯胺取代基的吲哚并咔唑核心空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池,不经掺杂便可以取得高达17.7%的光电转换效率,相关研究成果发表在J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 14835-14841上。

 

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