理化所人工光合成制氢研究获系列进展

发布时间：2015-05-15 10:25 原文链接：理化所人工光合成制氢研究获系列进展

　　借鉴自然界光合作用的机制和过程，通过人工光合成途径将太阳能转化为化学能，特别是氢能，为人类开发和利用太阳能并逐步解决当前的能源短缺和环境污染问题开辟了一条新道路。因此，设计并制备新型的人工光合成“部件”，构建来源广泛、成本低廉、性能卓越的光催化体系具有迫切的理论和现实意义。

　　近期，中国科学院理化技术研究所超分子光化学研究中心的科研人员首次利用量子点和廉价金属盐通过可见光催化协助的方法原位构筑了具有空腔结构的光催化剂。稳态和时间分辨的谱学技术证实了光催化过程中量子点表面巯基丙酸分子的氧化解离使量子点选择性地在氢气气泡和水的水-气界面聚集，在光催化反应协助下组装形成纳米空心球。以抗坏血酸为牺牲体，光照42小时纳米空心球的产氢速率和产氢TON值分别为~21 μmol h-1 mg-1和137500。该催化剂构筑策略为人工光合成制氢领域的发展提供了新的思路和途径，对理解和模拟自然界光合作用的工作原理和发展实用价值的人工光合成制氢体系具有重要意义。

　　随后，该研究中心科研人员又利用可见光照射量子点和廉价金属盐原位制备了Nih-CdS人工光合成催化剂。通过稳态和时间分辨的谱学技术，证实了量子点表面S的悬空键原位和金属Ni2+离子配位生成实际的催化中心，原位生成催化中心可通过自修复不断在反应过程中重生，从而保证了体系的催化活性及稳定性。光照20小时，Nih-CdS光催化重整工业废料甘油的制氢速率为74.6 μmol h-1 mg-1，产氢效率TON达38405。在410 nm光照射下，体系光催化产氢的内量子效率为12.2%。进一步地，科研人员成功地利用含双官能团的巯基丙酸作为导向分子构筑了CdSe QDs-TiO2-Ni(OH)2三元组装体系，实现了碱性条件下量子点-镍人工光合成体系的高效产氢。组装体中梯度电子转移过程提高了电荷分离效率，使体系产氢效率较CdSe QDs-Ni(OH)2二元体系提高了5倍。最优条件下CdSe QDs-TiO2-Ni(OH)2三元组装体系的产氢速率可高达~10.1 mmol g-1 h-1，基于CdSe QDs的TON值达51400，光催化产氢的内量子效率为27.4%。

　　上述研究结果已经刊登于国际化学期刊JACS (J. Am. Chem. Soc. 2014, 136 (23), 8261-8268) 和 ChemSusChem (ChemSusChem 2014, 7 (5), 1468-1475； ChemSusChem 2015, 8 (4), 642-649)，并被选为内封面文章向读者进行重点介绍。

　　相关研究工作得到了科技部“973”计划、国家自然科学基金委、中国科学院知识创新工程的大力支持。