Nat. Rev. Chem.人工光合作用中的半導體量子點

【引言】

光合作用是人類與大自然交互的最重要方式，自然界的綠色植物將人類所產生的二氧化碳通過光合作用轉換為碳水化合物和氧氣反饋人類。人類一邊享受著大自然饋贈的同時，一邊也驚嘆著大自然的鬼斧神工。科研工作者，人類社會中的普通群體。他們默默無聞，并積極地從自然界汲取靈感。自然界光合作用也是科研工作者們重要的學習仿造對象。

人工光合作用是科研工作者們提出模擬自然光合作用實現太陽能到化學能轉換的一種技術手段。例如：利用人工光作用可以將水在太陽光照條件下轉換為氫氣和/或氧氣，前者（氫氣）為人類提供清潔能源，后者（氧氣）為人類提供生存的必需條件。早在上個世紀七八十年代，科研工作者們對于人工光合作用的研究（以有機染料和塊體半導體材料為主）就已經在世界范圍內達到高潮，但是由于該類體系轉換效率低下、穩定性不高等劣勢，至今未能對該技術實現大規模應用。隨著本世紀半導體納米材料技術的迅猛發展，納米材料展現的一系列應用前景再次將人工光合作用推上了研究的新熱潮。近些年，科學家們開始廣泛研究半導體量子點在人工光合作用領域的應用（主要應用于光解水產氫產氧），并且取得了一系列的重要進展。

【成果簡介】

? 近日，中國科學院理化技術研究所超分子光化學實驗室（佟振合院士和吳驪珠研究員為共同通訊作者）在國際頂級期刊Nature Reviews Chemistry 上發表了一篇關于半導體量子點在人工光合成領域應用的綜述文章，文章題目為“Semiconducting quantum dots for artificial photosynthesis”。該綜述從半導體量子點光分解水原理入手，分別從量子點的尺寸效應、量子點異質結和量子點表面特性等三個方面剖析了影響半導體量子點光解水制氫效率的主要因素。最后，具體闡述了該領域的研究者們通過一系列手段（如尺寸優化、結構改性和表面修飾）對量子點進行調控，從而促進量子點的太陽光捕獲效率、電荷分離效率以及量子點到催化中心的電荷遷移效率，并最終基于半導體量子點構筑了高效、穩定的人工光合成制氫體系。

圖1：半導體量子光催化產氫產氧原理圖

圖2：量子尺寸效應對光催化產氫性能的影響

圖3：半導體核殼異質結構用于量子點對于光催化產氫

圖4：量子點表面配體對光催化產氫的影響

圖5：半導體量子點用于高效產氫產氧

【結論與展望】

本文綜述了半導體量子點在人工光合作用領域的最新進展，具體闡述了尺寸優化、結構設計和表面修飾是如何提高基于半導體量子點的人工光合系統的光催化產氫。該文最后提出了兩類基于半導體量子點構筑廉價、高效、穩定的人工光合成體系的新思路，并展望到在不久的將來，人類利用太陽能生產可持續、可利用和可再生的能源將會變成現實。這樣的自信主要來源于以下三點：第一，目前基于半導體量子點構筑的高效光催化產氫催化劑不含有貴金屬材料，滿足廉價的特點；第二，經過幾十年的發展，研究人員已經能夠利用水相合成方法大規模制備高質量半導體量子點材料；第三，基于環境友好型半導體量子點構筑的人工光合成體系已經展現出了可觀的太陽能到化學能轉換效率。

全文鏈接：Semiconducting quantum dots for artificial photosynthesis (Nat. Rev. Chem. 2018, DOI: 10.1038/s41570-018-0024-8)

【團隊介紹】

中國科學院理化技術研究所超分子光化學實驗室是國內外較早從事人工光合成制氫研究的團隊之一。近年來，吳驪珠研究員領導的研究團隊以量子點為吸光單元、可見光為能源，成功開發了一系列高效、穩定、廉價的光催化制氫體系。例如：通過原位自組裝的方式實現助催化劑與量子點的有效相互作用，從而構筑了高效的人工光合成體系，光催化產氫的內量子效率可高達65% (J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 4789-4796)。向量子點體系中引入氫化酶模擬物、MoS₂、無機Ni鹽、Co鹽等助催化劑所構筑的廉價人工光合成制氫體系同樣能夠實現高效、穩定的可見光催化分解水制氫(Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 3193-3197; Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 8134-8138; Nat. Commun. 2013, 4, 2695; Energy Environ. Sci., 2013, 6, 465-469; Adv. Mater. 2013, 25, 6613-6618; J. Am. Chem. Soc.?2014, 136, 8261-8268; Energy Environ. Sci. 2016, 9 (6), 2083-2089; ACS Catal. 2018, 8 (7), 5890-5895)。在此基礎上，通過調控量子點組成及其表面結構構筑的人工光合成體系也取得了一些進展(ChemSusChem 2017, 10, 4833-4838; J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 6015-6021)。此外，團隊的相關研究表明，在無需外加產氫助催化劑的條件下，也能夠基于量子點構筑高效的人工光合成制氫體系 (Chem. Commun., 2018, 54, 4858-4861; Adv. Funct. Mater. 2018, 1801769)。為了進一步實現中性水溶液中水的全分解，團隊以量子點為光敏單元，實現了一系列基于量子點敏化光陰極的光電催化產氫體系的構筑(Energy Environ. Sci., 2015, 8, 1443-1449; J. Am. Chem. Soc.?2016, 138,?3954-3957; Adv. Sci. 2016, 3 (4), 1500282；Adv. Sci. 2018, 5, 1700684)。此外，研究團隊還特別關注人工光合成體系中機理的研究。特別是通過與高能所陶冶研究員合作，在國際上首次實現了利用時間分辨的同步輻射技術揭示該類體系催化中心結構和作用機理的揭示(J. Am. Chem. Soc. 2017, 139 (13), 4789-4796; J. Mater. Chem. A 2017, 5, 10365-10373; J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7 (24), 5253-5258)。

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