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太阳能分解水制氢

太阳能分解水制氢 

Solar hydrogen production from water splitting


I.光催化制氢(Photocatalytic hydrogen production) 

1.研究内容: 

(1)利用能带工程设计具有可见光响应的氧化物或者氧氮化物半导体,用于光催化分解水制氢。 

(2)设计类似叶绿素分子结构的过渡金属络合物光催化材料,人工模拟自然界绿色植物的光合作用,将太阳能转换为氢能。 

2.研究目标: 

获得新型高效可见光响应光催化材料,实现太阳能转换氢能的效率超过8%。


图 1  半导体光催化分解水基本原理图


图 2 过渡金属络合物光催化制氢示意图



3.最新研究成果: 

[1]He Yu, Shicheng Yan, Zhaosheng Li, Tao Yu, Zhigang Zou. Efficient visible-light-driven photocatalytic H2 production over Cr/N-codoped SrTiO3, International Journal of Hydrogen Energy, 2012, 37(17), 12120-12127. 

[2]Zhen-Tao Yu, Yong-Jun Yuan, Jian-Guang Cai, Zhi-Gang Zou. Charge-neutral, amidinate-containing iridium complexes capable of efficient photocatalytic water reduction, Chemistry-A European Journal 2012, Accepted Articles, DOI: 10.1002/chem.201203029. 

[3]Yong-Jun Yuan, Zhen-Tao Yu, Ji-Yuan Zhang, Zhi-Gang Zou. A copper(I) dye-sensitised TiO2-based system for efficient light harvesting and photoconversion of CO2 into hydrocarbon fuel, Dalton Transactions 2012, 41(32), 9594-9597. 

[4]Yong-Jun Yuan, Ji-Yuan Zhang, Zhen-Tao Yu, Jian-Yong Feng, Wen-Jun Luo, Jin-Hua Ye, Zhi-Gang Zou. Impact of ligand modification on hydrogen photogeneration and light-harvesting applications using cyclometalated iridium complexes, Inorganic Chemistry 2012, 51(7), 4123-4133. 

[5] He Yu, Shuxin Ouyang, Shicheng Yan, Zhaosheng Li, Tao Yu, Zhigang Zou. Sol-gel hydrothermal synthesis of visible-light-driven Cr-doped SrTiO3 for efficient hydrogen production, Journal of Materials Chemistry, 2012, 21(30), 11347-11351 


II.光电化学制氢 

Photoelectrochemical hydrogen production 

1.研究内容 

    光电化学电池是一种利用湿化学方法直接将太阳能转化成氢能的装置,可以同时实现太阳能的转化与存储。与传统的固态太阳电池相比,光电化学电池具有能量转换与存储一体化、制备工艺简单以及成本低廉等优势,因而受到众多研究者的关注。主要的研究内容如下: 

    (1)新型窄带隙半导体光电极的设计与开发; 

    (2)高效光电极的制备与光生载流子传输机制研究; 

    (3)窄带隙光电极材料的腐蚀机理以及抗腐蚀研究。

2.研究目的: 

    研制出高效、稳定、低成本的太阳能光电化学分解水制氢装置,实现太阳能转换氢能的效率超过8%。


图1 光电化学分解水制氢原理图



3.研究成果

(1) 通过浅能级掺杂和表面修饰方法使BiVO4光电极在太阳光照射下分解天然海水的太阳能转换效率达到4.1%,是目前所有已研究的稳定氧化物光阳极中的最高值,并已经做成演示装置,在户外进行测试,运行良好。


图2. 改性BiVO4电极用于太阳能分解天然海水制氢转置



(2) 系统研究了光电极的表面偏析相的形成过程以及对光电化学性能的影响,发现表面偏析相是光生电子复合中心,严重限制了其光电化学性能。并提出了一种简单电化学腐蚀方法消除表面复合中心,大大提升太阳能转化效率,该方法可以推广到其他半导体光电极表面态的研究。 

(3) 通过固溶体方法调控导价带位置设计并制备了一系列可见光响应光电极,用于太阳能分解水制氢。 


    迄今为止,我们已经在《Energy Environ. Sci.》、《Adv. Funct. Mater.》、《Appl. Phys. Lett.》、《J. Phys. Chem. C.》等重要国际期刊上发表论文20余篇;申请国家发明专利4项,授权2项; 

代表性论文: 

(1)Wenjun Luo, Bin Liu, Zhaosheng Li, Zili Xie, Dunjun Chen, Zhigang Zou, and Rong Zhang. Stable response to visible light of InGaN photoelectrodes, Appl. Phys. Lett. 92, 262110 (2008) 

(2) Minglong Zhang, Wenjun Luo, Zhaosheng Li, Tao Yu, and Zhigang Zou. Improved photoelectrochemical responses of Si and Ti codoped α-Fe2O3 photoanode films, Appl. Phys. Lett. 97, 042105(2010) 

(3) Wenjun Luo; Zaisan Yang, Zhaosheng Li, Jiyuan Zhang, Jianguo Liu, Zongyan Zhao, Zhiqiang Wang, Shicheng Yan, Tao Yu, Zhigang Zou. Solar hydrogen generation from seawater with a modified BiVO4 photoanode, Energy Environ. Sci. 4, 4046-4051 (2011) 

(4)Wenjun Luo, Zhaosheng Li, Tu Yu, and Zhigang Zou. Effects of Surface Electrochemical Pretreatment on the Photoelectrochemical Performance of Mo Doped BiVO4, J. Phys. Chem. C. 116 , 5076 (2012) 

(5) Maijia Liao, Jianyong Feng, Wenjun Luo, Zhiqiang Wang, Jiyuan Zhang, Zhaosheng Li, Tao Yu, and Zhigang Zou, Co3O4 Nanoparticles as Robust Water Oxidation Catalyst towards Remarkably Enhanced Photostability of Ta3N5 Photoanode, Adv. Funct. Mater. 22, 3066 (2012) 

(6) Zhaosheng Li, Wenjun Luo,Minglong Zhang, Jianyong Feng, and Zhigang Zou. Photoelectrochemical cells for solar hydrogen production: current state of promising photoelectrodes, methods to improve their properties, and outlook. Energy & Environmental Science, 2012, DOI: 10.1039/C2EE22618A. (Invited Review) 

专利: 

[1] 邹志刚;罗文俊;李朝升, BiVO4纳米光电极及其在分解水制氢方面的应用, 专利号:ZL201010018244.4,申请日:2010.1.20, 已授权。 

[2]刘 斌;罗文俊;谢自力;李朝升;陈敦军;邹志刚;张 荣,一种可见光铟镓氮基光电化学电池及制备方法,专利号:ZL200810156068.3,申请日:2008.9.19, 已授权。 

[3] 邹志刚;罗文俊;李朝升;李明雪;刘斌;陈敦军;于涛;谢自力;张荣, 铟镓氮基光电极的表面处理方法, 专利号:ZL201110206604.8,申请日期:2011.7.22,已公开 

[4]邹志刚;祝梅;罗文俊;李朝升, 光氯碱电解电池及采用该光氯碱电解电池生产Cl2和NaOH的方法, 申请日期:2011.1.31, 已公开


研究方向