【IOP專欄】太陽能水裂解路線圖：當前研究現狀和未來前景

【引言】

太陽能水分解是實現太陽能轉化生產清潔可再生氫能的理想方法，同時也是未來解決能源與環境問題的理想途徑之一。近半世紀以來，各種各樣的半導體材料，包括金屬氧化物、氮化物、硫族化物、硅、III-V族化合物和有機物，應用于太陽能水分解反應，但如何設計穩定、高效、廉價的太陽能水分解裝置一直面臨巨大的挑戰。

【成果簡介】

近日，麥吉爾大學的儲升博士（第一作者，通訊作者）以及密歇根大學和麥吉爾大學的米澤田教授帶領的團隊聯合波士頓學院的王敦偉教授課題組、托萊多大學的鄢炎發教授以及密歇根州立大學的Thomas Hamann教授（共同通訊）撰寫題為Roadmap on solar water splitting: current status and future prospects的綜述文章，以Roadmap的形式發表在IOP頂級期刊Nano futures 上。該文全面綜合性地總結了太陽能水分解的發展現狀，并對光陰極材料，光陽極材料，特別是疊層光電化學系統進行了深入的總結和探討。另外，在此基礎上，該文還對該光電極材料未來的發展方向進行了展望，并深入探討實現高效穩定經濟的太陽能水分解的有效途徑。

【圖文導讀】

圖1. 三種光解水類型的示意圖： PC 系統, PEC電池, PV-E.

PC和PV-E具有低效率和高成本的各自的局限性，而PEC則位于中間能夠在成本可承受的情況下實現高效率；

圖2. 串聯PEC水分裂裝置的原理圖

（a）寬帶隙光陽極和窄帶隙光陰極；

（b）寬帶隙光陰極和窄帶隙光陽極；

圖3. 眾多半導體材料的帶隙和帶邊位置以及相應的水分解的氧化還原電位(pH=0)

寬帶隙材料可以作為頂部吸收層，窄帶隙材料可以作為底部吸收層。

圖4. 串聯PEC水解裝置的全光譜

具有～1.7 和～1.1 eV優化帶隙的串聯PEC水解裝置所覆蓋的太陽光譜，插圖為串聯裝置的示意圖；

圖5. 在不同條件下能帶的示意圖

(a) 半導體和電解液接觸之前；

(b) 在平衡條件下，在沒有光的情況下接觸；

(c) 準平衡光照條件下。各種過程被標記為如下。 (1) 光激發產生電荷; (2)背接觸的電子萃取; (3) 空穴傳輸到表面態; (4) 空穴傳輸到電解液; (i) 體相復合; (ii) 表面復合; (iii) 表面態電子捕獲

圖6. 光電極理想情況和實際系統-的光電流——電勢關系

光電極理想情況和實際系統的光電流——電勢關系

圖7. PEC電池基本組件示意圖

(a) 帶有金屬陰極的單帶隙光陽極；

(b) 光陽極和光陰極分開連接的的疊層構型；

(c) 光陽極和光陰極背靠背式連接的疊層構型。

【總結】

在全球范圍內，通過太陽能水分解來模擬自然光合作用的人工光合作用是一種非常具有前景的方法來直接將光能轉化為化學燃料，比如氫氣。作為人工葉子的光吸收半導體材料在決定人工光合裝置的性能方面起著至關重要的作用。研究團隊提出三種平行的方法來達到既高效又穩定的材料系統:(一）使穩定的材料更有效率，（二）使高效的材料更穩定，（三）發現本質上既穩定又高效的新材料。同時該研究團隊在金屬氧化物，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。

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

本文由材料人編輯部陳博提供，感謝原作者及【IOP】編輯的校稿審核！

材料人與IOP出版社聯合推出【IOP專欄】，報道IOP旗下期刊精彩研究進展。本文系【IOP專欄】第1篇。

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