国家纳米科学中心在光催化制氢领域取得系列新进展

近日，国家纳米科学中心朴玲钰研究员课题组在光催化产氢方面取得系列新进展，研究成果相继发表于Nano Energy （2020, 67, 104287）、Nano Today（DOI: https:// doi.org/ 10.1016/ j.nantod. 2020. 100968）及Angew. Chem. Int. Ed. （DOI: 10.1002/ anie.202009633）上。

目前，工业制氢主要依靠煤、天然气重整，这个过程加剧了不可再生能源的消耗与环境污染。太阳能作为人类取之不尽用之不竭的可再生能源（约4×1020 J / h），通过光催化过程，将其转化为清洁高效的氢能，是解决上述问题的理想途径，近几十年来该领域的研究备受关注。朴玲钰课题组分别通过光催化水分解和甲酸分解两个过程，实现了高效、稳定的光催化产氢，并为该过程的合理评价提出了系统分析与建议。

太阳能光催化分解水制氢有两种类型，全分解水制氢（2H2O → 2H2 + O2）和半反应分解水制氢（H2O + 牺牲剂→ H2 + 氧化产物）。过去的几十年，全解水取得了较大进展，但依然存在诸多障碍难以逾越，如效率低、稳定性差、体系复杂及成本和安全等问题。在前期工作的基础上（Nano Energy 2017, 41, 488-493; Appl. Catal B: Environ 2018, 220, 471-476等），朴玲钰课题组首次提出了高效、高值光催化分解水过程，即光催化分解纯水获得氢气的同时，制备双氧水（2H2O → H2 + H2O2）。该过程优势显著，形成H2O2是动力学更有利的2电子过程。同时氢氧逆反应被显著抑制，效率极大提升；产物为纯气态H2和更高价值的液态H2O2；消除了分离、纯化成本与安全问题且产物价值大大提升。该过程一举多得，符合实际需求，具有强大应用潜力。相关研究成果发表在Nano Energy （2020, 67, 104287）上。　

甲酸无毒、廉价、氢含量高且稳定，是理想的液态储氢介质。在之前工作的基础上（Joule 2018, 2, 549-557），朴玲钰课题组通过理论和实验研究发现，水作为催化剂促进甲酸分解产氢的高效发生，这是本领域首次对水作为催化剂催化该反应进行的报道。水可以有效地降低光催化分解甲酸的活化能，提高反应效率（提高2~4倍），同时水在反应前后保持不变。重要的是，水的助催化作用具有普适性，可适用于不同半导体材料（CdS、g-C3N4、TiO2等）和不同的产氢助剂体系（CoP、Pt、Pd、Ru、Au等）。该研究提升了科研人员对同类反应中水催化作用的关注度，相关成果发表于纳米科学领域知名期刊Nano Today (2020, DOI: https:// doi.org/ 10.1016/ j.nantod. 2020.100968）。

对光催化体系进行催化剂评价过程中，目前还缺乏一个充分、准确的评价体系，导致了对不同催化剂或催化体系难以进行一致、可靠的评估。基于此，朴玲钰课题组从量子效率与太阳能转换效率的准确计算、催化剂使用及环境控制等多个角度，结合文献和实验结果，系统分析了多种参数存在的不足并提出了初步建议，提出了一个更全面、准确且易执行的光催化制氢评价体系。该工作为开发一个更合理、广泛接受和公平的光催化产氢评价体系提供了有价值的信息。上述成果发表于Angew. Chem. Int. Ed. （2020, DOI: 10.1002/ anie. 202009633）上。

国家纳米科学中心曹爽助理研究员等为上述工作的第一作者，合作者为国家纳米科学中心刘新风研究员、施兴华研究员等。上述工作得到了国家自然科学基金面上项目、青年项目及中科院战略性先导科技专项B等项目的支持。