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李灿院士成果精选——催化性能要提高，这些妙招少不了

来源：本站时间：2019-11-26 17:01:50 浏览：5871次

1. Appl. Catal., B：新型共轭有机聚合物在可见光驱动光催化产氢中的应用

人工光合成的目的就是将可再生太阳能转化为太阳燃料（例如氢气、化学品等），这为发展可持续和碳中性的世界提供了蓝图。在人工光合成的研究中，开发新型半导体将其作为可见光驱动分解水的光催化剂是其中极具挑战的研究方向之一。

本文中作者介绍了两种新型的连吡啶基共轭有机聚合物：Bp-COP和BpZn-COP，其吸收边超过600nm，表现出了出色的光吸收性能，并且具有合适的能带结构，可用于分解水的研究。聚合物Bp-COP和BpZn-COP在Pt作为质子还原共催化剂的条件下，能够于可见光辐射时进行高效的光催化产氢反应。

进一步的研究证明，将这些共轭有机聚合物与电子输运体TiO₂结合后，可以显著增强其光催化性能达8倍之多(1333 vs. 162 μmol g⁻¹ h⁻¹)。与此同时，在入射光波长为420nm时其表观量子效率（AQE）超过2.5%。这项工作不仅为设计和合成新型有机聚合物提供了方法，也为太阳能转化中的潜在应用指明了方向。

Novel conjugated organic polymers as candidates for visible-light-driven photocatalytic hydrogen production, Appl. Catal., B 2019, 241, 461–470.

2. Nano Lett.：半导体光催化剂中巨型缺陷诱导效应对纳米级电荷分离的影响

材料中的缺陷可以极大地影响半导体基光催化剂的性能，而光催化剂中光生电荷的空间分离对将太阳能转化为燃料至关重要。然而，在纳米尺度上精确理解缺陷对于光生电荷分离的影响仍然是一大挑战。

本文中作者利用时间和空间分辨表面光电压技术证明了表面光生电荷的分布，并对Cu₂O光催化颗粒表面100nm内缺陷分布的区域进行了研究，指出了光生电荷分离的方向。

缺陷诱导的电荷分离过程源自接近表面处缺陷态对电子的捕获和表面态上空穴的累积。此外，缺陷诱导的电荷分离的驱动力大于4.2kV/cm，可用于驱动光催化反应的发生。这项研究证明了接近表面处缺陷工程对提高光生电荷分离效率和调控表面光生电荷的重要性，也为促进光催化电荷分离和高效的太阳能转化研究开辟了新的道路。

Giant defect-induced effects on nanoscale charge separation in semiconductor photocatalysts，Nano Lett., 2019, 19, 426-432.

3. ACS Catal.：同相结对光催化分解水中空间电荷分离的促进作用

在不同的半导体之间形成异质结或p-n结被广泛应用在促进光催化剂和太阳能电池空间电荷分离的研究中，这一效应源于半导体间不同的晶体和能带结构。在具有确定组成的相同半导体和晶相间能否形成结仍存疑问。

本文中作者将TiO₂作为原型，在大小两种不同尺寸相同晶相的纳米颗粒间形成了结。利用这种同相结的研究策略，TiO₂的三种相（板钛矿、锐钛矿、金红石）的光催化产氢和分解水性能都得到了极大提高。

这种超高的光催化性能可归功于不同表面能带弯曲所诱导的界面内建电场，大小颗粒间的内建电场促进了空间电荷的分离，抑制了电荷的复合。这项研究不同于传统形成结的方法，为构建高效太阳能转换系统提供了新的思路。

Homophase junction for promoting spatial charge separation in photocatalytic water splitting, ACS Catal., 2019, 9, 3242-3252.

4. ACS Energy Lett.：有机-无机杂化钙钛矿纳米晶中高效的光催化产氢性能及其自发双电荷输运机制

有机-无机杂化钙钛矿由于其优异的光电性能而在太阳能电池的研究中极具潜力。然而，钙钛矿具有稳定性差和在纳米尺度下电荷复合严重的缺点，因此其很难应用于生产太阳燃料的研究中。

本文中作者首次利用在HBr溶液中稳定的有机-无机杂化钙钛矿MAPbBr₃纳米晶在可见光照射下获得了较高的产氢效率。此外，在将杂化钙钛矿和Pt/Ta₂O₅以及PEDOT:PSS结合后，二者分别作为电子和空穴收集体，极大地提高了MAPbBr₃中的电荷输运效率，增强了其催化性能。在引入双纳米尺度电荷输运通道后，杂化钙钛矿在420nm光源照射下的产氢率提高了约52倍，表观量子效率达到16.4%。

Promoting photocatalytic H₂ evolution on organic−inorganic hybrid perovskite nanocrystals by simultaneous dual-charge transportation modulation, ACS Energy Lett., 2019, 4, 40-47.

5. Adv. Mater.：一步氨热法制备一维Ta₃N₅纳米棒/ BaTaO₂N纳米颗粒异质结构及其优异的光驱动产氢性能

异质结构被广泛应用在促进光生电荷分离和太阳能电池/燃料的研究中。含氮半导体在太阳能转化中极具前景，但将其用于异质结构的制备中仍然是一大挑战。

本文中作者介绍了一种利用氨热法合成的异质结构，其由一维的Ta₃N₅纳米棒和BaTaO₂N纳米颗粒组成，结果表明，这种异质结构具有出色的光生电荷分离效率和太阳光产氢能力。结构分析证明，这种异质结为Ⅱ型结构，并有在纳米棒和纳米颗粒间形成紧密界面的趋势。

一维的纳米棒可沿棒的生长方向传输电子，进一步的研究说明异质结中形成的紧密界面源自Ta₃N₅和BTON间相同的Ta基八面体单元。这些都是光诱导电荷分离提高的结果，从而提升了其太阳光下全分解水的效率。这项成果为利用含氮半导体异质结进行太阳能转化的研究提供了崭新的研究思路和方法。

Heterostructure of 1D Ta₃N₅ nanorod/BaTaO₂N nanoparticle fabricated by a one-step ammonia thermal route for remarkably promoted solar hydrogen production, Adv. Mater., 2019, 31, 1808185.

6. Adv. Energy Mater.：界面电荷调控丨一种高效的促进半导体光催化剂空间电荷分离的方法

通过注入或电荷载流子的提取而进行的表面调控已经广泛应用在微电子器件中，这使得器件的能带排布符合预期的电子或光学性能，但这种方法还未应用在光催化领域。

本文中作者以Bi₄TaO₈X为例，引入具有较大功函数并化学失活的MoO₃，对界面电荷进行调控，增强了能带向上弯曲的程度和内建电场的强度。这一简单的电荷调控手段对光催化水氧化效率提升明显，在输入波长为420nm时，其表观量子效率可达25%。

在利用其它半导体材料和修饰剂的研究中也证明了这种表面电荷调控的有效性和普遍性。这一发现不仅为理性调节半导体内界面内建电场提供了策略，也为利用微电子技术构筑人工光合成系统用以太阳能转化铺平了道路。

Interfacial charge modulation: an efficient strategy for boosting spatial charge separation on semiconductor photocatalysts, Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1803951.

7. Energy Environ. Sci.：利用氧化还原液流电池促进Z型分解水系统的太阳能转化效率

Z型光催化分解水系统在将太阳能高效转化进行产氢研究中极具潜力。然而，在两种系统中电子转移时能量的大量损失这一问题还未解决。如何大幅降低其中的能量损失从而提高太阳能转化效率就成为其中亟待解决的关键。

本文中作者分析并评估了光催化分解水系统中能量存储的最大空间，提出了结合液流电池从而降低Z型分解水系统中能量损失的方法。

此外，文中结合集成的醌/氰铁酸盐液流电池构筑了生物混合的II (PSII)–ZrO₂/TaON Z型光系统。这一系统可以在液流电池光催化充放电和分解水反应的过程中利用太阳能同时发电和产氢，这使得太阳能转化效率得到了显著提高。这项研究为Z型分解水系统中更高效地进行能量转化和节能提供了新的方法。

Integrating a redox flow battery into a Z-scheme water splitting system for enhancing the solar energy conversion efficiency, Energy Environ. Sci., 2019, 12, 631.

8. J. Mater. Chem. A：利用相间结进行内建电场调控从而提高光催化分解水效率

在半导体界面构筑内建电场可以为光催化反应中的空间电荷分离提供驱动力。尽管相间结已经被证明可以高效地进行空间电荷分离，但是通过精确调控内建电场对催化剂的光催化性能进行控制的研究仍有许多问题并不清楚。

本文中作者在锐钛矿/金红石TiO₂间形成相间结，利用金红石TiO₂表面可控锐钛矿纳米颗粒的合成对相间结区域内的内建电场进行调控，从而改变锐钛矿和金红石相间的接触面积。

结果表明，光催化产氢效率严重依赖于锐钛矿和金红石两相间的接触面积。光催化性能和两相间界面的接触面积表现出典型的火山曲线，通过增大相间接触面积可以显著增强空间电荷分离的驱动力，这使得更多的电子和空穴迁移至表面并参与氧化还原反应，但更进一步增大接触面积却导致了光催化性能的降低。

在最优界面接触时，可使内建电场和光生电荷载流子在相间结区域内分离和输运的距离间达到最佳平衡。这项研究为在半导体基光催化剂表面构筑内建电场从而促进太阳能转化系统中的空间电荷分离提供了新的视角。

Boosting photocatalytic water splitting by tuning built-in electric field at phase junction, J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 10264.

【人物简介】

李灿，1960年1月出生于甘肃省金昌市，物理化学家，中国科学院院士、第三世界科学院院士，中国科学院大连化学物理研究所研究员、博士生导师，洁净能源国家实验室（筹）主任，中国科学技术大学化学与材料科学学院院长，催化基础国家重点实验室主任。

1980年李灿从河西学院毕业后留校任教；1983年考入中国科学院大连化学物理研究所攻读硕士研究生；1989年获得中国科学院大连化学物理研究所和日本东京工业大学联合培养博士学位，之后进入中国科学院大连化学物理研究所工作；1993年晋升为研究员；2003年当选为中国科学院院士；2005年当选第三世界科学院院士；2007年出任中国科学院大连化学物理研究所副所长；2008年当选欧洲人文和自然科学院外籍院士。2014年获得中国催化成就奖。

李灿主要从事催化材料、催化反应和催化光谱表征方面的研究，并致力于太阳能光催化制氢以及太阳能光伏电池材料研究。

课题组链接：http://www.canli.dicp.ac.cn/index.htm

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