蘇州大學Energy Environ. Sci.: 基于C3N4催化劑的光電化學池實現太陽能到電能直接轉換

【引言】

太陽能是可再生可持續的清潔能源，當前已經有很多關于太陽能轉換的研究，其中最重要的一個轉換目標就是把太陽能轉換為電能。對此，太陽能電池的研究已經做到了接近火電的成本，有望真正實現大規模應用。太陽光照的間斷性，為太陽能電池的應用帶來了一系列問題。相對的，燃料電池可以隨時將儲存的化學能轉換為電能供人們使用。本文正是基于這一考慮，設計了一種光電化學池。它可以利用O₂/H₂O氧化還原對在太陽光驅動下產生電能，也能以化學能形式存儲生成的中間產物H₂O₂，在沒有光照的時候，像燃料電池一樣把儲存的化學能轉換為電能。這種光電化學池可以啟發研究者思考如何設計和研究太陽能轉換器件，促進光催化和光電催化研究深入拓展。

【成果簡介】

近日，蘇州大學功能納米與軟物質研究院的康振輝教授、劉陽教授和Yeshayahu Lifshitz講座教授（共同通訊作者）在Energy & Environmental Science上發表最新研究成果“A g-C₃N₄ based photoelectrochemical cell using O₂/H₂O redox couples”。以O₂/H₂O作為氧化還原對，研究設計了一種基于g-C₃N₄的光電化學池，克服過電勢太大的困難，獲得0.91 V的開路電壓以及高達0.156 mW cm^-2的能量密度。同時，它可以在兩極分離的情況下通過光照產生H₂O₂作為化學能儲存，沒有光源時就可以像燃料電池一樣消耗H₂O₂工作（面積比容量達到350 mC cm^-2，質量比容量達到237 C g^-1）。

【圖文導讀】

圖1：光電化學池工作機理圖示

陽極：負載g-C₃N₄的Ni網。g-C₃N₄捕光并將H₂O氧化為H₂O₂，接著Ni網將H₂O₂氧化為O₂。

陰極：[Fe^Ⅲ(Pc)Cl]與g-C₃N₄混合物噴涂在碳紙上。從外電路過來的陽極電子催化g-C₃N₄將O₂還原為H₂O₂，[Fe^Ⅲ(Pc)Cl]進一步將H₂O₂還原為H₂O（還原過程三價Fe變為四價，而四價Fe又可以通過電子遷移回到三價）。

圖2： g-C₃N₄形貌及光電化學池性能

a. 多孔g-C₃N₄ TEM圖

b. I-V（黑色）和I-P（藍色）曲線圖，0.1 M HCl（light：100 mW cm^-2 AM 1.5G；Fuel cell：暗狀態，含有300 mM H₂O₂）

圖3： 光電化學池變量調控及穩定性能

Seawater 表示用HCl將pH調整至1后的海水

a. OCP（開路電壓）和功率密度在不同pH值的鹽酸溶液中

b. OCP和功率密度在不同NaCl濃度中（0.1 M HCl）

c. I-V和I-P曲線圖在0.1 M HCl與pH 1海水溶液中

d. 功率密度測試三個循環在0.1 M HCl與pH 1海水溶液中

圖4： H₂O₂存儲/利用實驗

a. 不同負載下的放電曲線（光儲存-光照30分鐘存儲得H₂O₂）

b. 50 ?負載下的電池容量-光儲存時間關系圖

c. 50 ?負載下的三次連續光儲存-放電循環

d. 50 ?負載下光儲存30分鐘得到H₂O₂的保持時間對電池容量的影響

圖5： 光電化學池裝置示意圖

a. 光電化學池（O₂/H₂O氧化還原對）

b. Nafion膜隔離的雙組件光電化學池

【小結】

研究基于g-C₃N₄設計了一種以O₂/H₂O作為氧化還原對的光電化學池（以H₂O₂作為反應中間體）。在光照下，若是選擇性地生成并存儲H₂O₂，那么，在無光條件下，H₂O₂可以把化學能轉化為電能——以燃料電池的方式工作。這種新型的光電化學池器件結合了前人的相關研究工作，首次實現以化學能為中轉形式，將太陽能轉換為電能，克服了太陽能電池依賴光源的弊端。同時，器件也獲得了較好的電池性能，為太陽能轉換研究和器件設計提供了新思路。

文獻鏈接：A g-C₃N₄ based photoelectrochemical cell using O₂/H₂O redox couples（Energy Environ. Sci. 2018, DOI: 10.1039/C7EE03459H）

【團隊簡介】

康振輝教授科研團隊立足于蘇州大學功能納米與軟物質研究院，長期以碳、硅納米結構和金屬/半導體納米粒子等為研究核心，致力于揭示介觀體系中納米粒子的表面化學、催化特性、光電化學性質等。構筑納米復合體系，并對其進行設計與功能調控，實現了高效能源轉化與存儲應用，包括太陽能光解水、二氧化碳還原和燃料電池等。

【團隊在該領域工作匯總】

康振輝教授科研團隊構筑了一系列納米復合體系，并進行設計與功能調控，實現了高效能源轉化與存儲應用，包括太陽能光解水、二氧化碳還原、綠色催化和燃料電池等。報道了不含金屬的石墨烯氮化碳（g-C₃N₄）和碳點制備獲得納米復合材料，其可以利用太陽能實現高效的光催化分解水經過兩電子氧化還原過程產生氫氣和氧氣；設計四氧化三鈷/碳點/氮化碳（Co₃O₄-CDots-C₃N₄）復合電催化劑，實現高效、高選擇性、穩定地還原CO₂制備合成氣，并可以通過控制電位調控H₂/CO比例；調控設計了擁有低鉑含量的鉑/四氧化三鈷/碳點（Pt-Co₃O₄-CDs/C）陽極催化劑，其有高效地電催化活性和穩定性，以它作為陽極催化劑的甲醇燃料電池的最大功率密度是基于商業鉑碳催化劑的電池的1.7倍；制備出磷、硼元素摻雜的g-C₃N₄多孔材料擁有高效的氧還原反應催化活性和穩定性。

【相關優質文獻】

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本文由材料人編輯部新人組曹曉虎編譯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

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