浙江大学Nat.Commun：通用界面能量调节策略增强人工光合作用

【导读】

太阳能被认为是解决全球日益增长的清洁能源需求和相关气候问题的关键解决方案。为了解决太阳辐射的时空波动问题，一个策略是通过人工光合作用将太阳能捕获为可储存和可运输的太阳能燃料(例如H₂和H₂O₂)。在主要的光合系统中，颗粒光催化剂因其简单性和可扩展性而被认为是最具成本效益的一种，但其能量转换效率仍需提高才能获得可行的应用。同时由于颗粒光催化剂中的电荷分离是由其还原位点和氧化位点之间的不对称界面能学驱动的，因此增强这一过程需要在不损害表面反应动力学和选择性的前提下对界面能进行纳米级调整。

【成果掠影】

近日，浙江大学褚驰恒教授通过一种总体策略来实现上面的目标，该策略涉及在各种光催化系统上展示的核/壳型助催化剂的应用。H₂O₂生成高效率验证了对调整界面能量学以增强电荷分离和光合作用性能的观点。特别是，这一策略在BiVO₄系统上得到了突出体现，该系统用于整体H₂O₂光合作用，太阳能到H₂O₂的转化率为0.73%。相关成果以“A general interfacial-energetics-tuning strategy for enhanced artificial photosynthesis”发表在Nature Communications上。浙江大学刘添为一作，浙江大学褚驰恒教授和日本中央大学理工学院Zhenhua Pan教授为共同通讯作者。

【核心创新点】

本研究证明了用于界面能量调节的核/壳助催化剂结构的可行性，并且证明了其对于增强光合作用系统中的电荷分离和性能的高度通用性。

【数据概况】

图1:Ag/Pd核/壳型辅催化剂在BiVO₄上的面选择性负载和界面能量学调整。

a Co、Ag和Pd在BiVO₄上的逐步和面选择性光沉积。b能量色散x射线能谱(EDS)元素映射和线剖面，以及CoO_x/BiVO₄/(Ag/Pd)的白色箭头。c, d在BiVO₄上负载Ag/Pd粒子的扫描透射电子显微镜(STEM)-EDS元素映射。e BiVO₄、BiVO₄/Ag、BiVO₄/Pd、BiVO₄/(Ag/Pd)的紫外光电子能谱(UPS)。f BiVO₄上Ag/Pd核/壳共催化剂构建{010}还原面界面能量学调整示意图。©2022 Springer Nature

图2:H₂O₂光合作用总量。

a光催化生成H₂O₂的时间过程。b BiVO₄、BiVO₄/Ag、BiVO₄/Pd、BiVO₄/(Ag/Pd)产H₂O₂的选择性。c各种核壳辅催化剂的制备及H₂O₂光合作用性能与核结金属功函数的关系。d富•OH条件下CoO_x/BiVO₄/(Ag/Pd)和C₃N₄/Pd H₂O₂光合作用活性的衰减。e重复使用CoO_x/BiVO₄/(Ag/Pd)进行H₂O₂光合作用。f CoO_x/Mo:BiVO₄/(Ag/Pd)光催化生成H₂O₂的时间进程及相应的STH效率。g H₂O₂在CoO_x/Mo:BiVO₄/(Ag/Pd)上光合作用的表观量子产额(AQY)随入射光波长的变化。©2022 Springer Nature

图3:载流子动力学。

a, b在2000 nm处探测的自由/浅俘获电子和在505 nm处探测的俘获空穴的瞬态分布。c, d在真空和HCOOH蒸汽存在下，在505 nm处探测c CoO_x/BiVO₄/Pd和d CoO_x/BiVO₄/(Ag/Pd)俘获孔的瞬态分布。e通过表面能量学调整增强的电荷分离过程示意图。©2022 Springer Nature

图4:光载流子分布的模拟。

a, b BiVO₄作为太阳能电池的示意图模型和能带图。c在阴极位置(Φ010)，随着势垒高度，电流密度与应用电位变化范围为0至0.4 V(灰色虚线箭头)。d - i BiVO₄粒子光电特性的二维截面图，包括导带能量(eV) (d, e)、电子浓度(f, g)和空穴浓度(h, i)。j - m能带图(j, k)和移动载流子密度(l, m)的一维图。©2022 Springer Nature

图5:增强人工光合作用的界面-能量-调节策略的通则。

a C₃N₄/Pd、C₃N₄/(Ag/Pd)，b TiO₂/Pd、TiO₂/(Ag/Pd)光催化H₂O₂生成的时间过程。c有效界面能量调节和增强人工光合作用的一般方法。©2022 Springer Nature

【成果启示】

总之，本研究验证了界面能量学的调整是增强电荷分离的一种普遍有效的方法，这是设计高性能光催化剂的一个关键挑战。核/壳Ag/Pd共催化剂的构建降低了BiVO₄{010}面的肖特基势垒，而不影响表面反应，导致能量学和电荷分离的整体不对称性增强。通过成功调整界面能量学，BiVO₄生成的H₂O₂在全光谱下AQY为3.0%，STH效率为0.73%，这是无机半导体体系的新记录。正如BiVO₄用于H₂O₂产生所强调的那样，这种调整界面能量学的策略一般可以应用于其他光合系统，以促进太阳能燃料的生产，如水分解和二氧化碳减少。

参考文献：Liu, T., Pan, Z., Kato, K. et al. A general interfacial-energetics-tuning strategy for enhanced artificial photosynthesis. Nat Commun 13, 7783 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41467-022-35502-z

本文由春国供稿。