暨南大學Nano Energy 封面：MOF衍生雙金屬納米電催化劑與單個有機太陽能電池聯用的全解水系統?

【引言】

近年來，氫能源被認為是替代傳統燃料最具有前景的清潔能源。在眾多的產氫體系中，利用太陽能電池驅動的電解水產氫因其無污染、太陽能-氫氣轉化效率高被認為是最具有發展潛力的創新型制氫方式之一（Science, 345 (2014) 1593-1596），受到研究者們廣泛關注。目前多數電解水裝置所需工作電壓約為 1.6-1.8?V，而單個商業化硅基、碲化鎘太陽電池的開路電壓在1?V左右，難以滿足全解水所需要的電壓。目前較常用的辦法是將多個光伏器件串聯以提高其開路電壓，滿足電解水的電壓需求。然而，多個光伏器件串聯極大地增加了成本，降低了工作電流，進而降低了太陽能-氫氣轉換效率，限制了它們工業化的應用。與傳統太陽能電池相比，串聯結構有機太陽能電池（tandem?organic solar cell）開路電壓近2V，基本滿足全解水所需的電壓，是一種具有較大的潛力的光電轉換供能器件。相比于傳統的多個光伏器件串聯的能源供應裝置，串聯結構有機太陽能電池能有效的降低成本和提高轉換效率，具有更高的實用價值。因此設計高效率、高開路電壓的有機太陽能電池并與高性能的電催化劑結合，構建太陽能驅動的電解水產氫體系，具有較大的科學意義和應用前景，有助于促進納米催化、材料學、氫能產業和有機光伏產業的發展。

【成果簡介】

近期，暨南大學的麥文杰研究員（共同通訊作者）、王子龍（共同通訊作者）及香港科技大學的顏河教授（共同通訊作者）等研究者在Nano?Energy上發表了題為：“Solar-powered overall water splitting system combing metal-organic?frameworks derived bimetallic nanohybrids based electrocatalysts and one?organic solar cell”的封面文章，其中碩士研究生林銳、雷航為共同第一作者。研究人員利用普魯士藍MOF結構為前驅體，設計了成分可控的FeCoP和FeCoS雙金屬納米催化劑，以此為基礎構建的全解水體系在電壓為1.6 V時電流密度為10?mA?cm^-2。同時，基于以上的全解水體系，構建了串聯結構有機太陽能電池驅動電解水產氫系統，實現了較高的太陽能-氫氣轉換效率（9.2%）。

【圖文簡介】

圖1.?FeCoS和FeCoP雙金屬納米催化劑的制備合成途徑

圖2.?FeCoS和FeCoP雙金屬納米催化劑的形貌表征

（a）FeCoS/NC的TEM圖。

（b）FeCoS/NC的能譜線掃圖。

（c）FeCoS/NC的元素mapping圖。

（d）FeCoP/NC的TEM圖。

（e）FeCoP/NC的能譜線掃圖。

（f）FeCoP/NC的元素mapping圖。

圖3.?太陽能電池驅動的電解水產氫體系

（a）CF@FeCoS/NC//CF@FeCoP/NC在電流密度30?mA?cm^-2的穩定性測試。

（b）電流密度20mA?cm^-2時的庫倫效率（100%）。

（c）有機太陽能電池驅動全解水結構示意圖。

（d）電解水體系和有機太陽能電池工作狀況下的J-V曲線。

圖4.?封面賞析

【小結】

以普魯士藍MOF結構為前驅體，研究者們設計了成分可控的FeCoP和FeCoS雙金屬納米催化劑，其在HER（FeCoP）和OER（FeCoS）催化中表現出優異的活性，具有較低的過電位、快速的反應動力學和長期的穩定性。該兩電極組成的CF@FeCoS/NC//CF@FeCoP/NC電解水體系在電流密度為10?mA?cm^-2時分解電壓僅為1.6?V，極大的降低了全解水所需要的能耗。在此基礎上，結合一個高開路電壓的串聯有機太陽能電池，組建的太陽能驅動電解水裝置在電流密度為7.5 mA cm^?2時達到了較高的太陽能轉化氫效率9.2%。該工作探索了太陽能轉化為氫能源的新途徑，為有機太陽能電池在電解水方面的應用提供了新想法和思路。?

【文獻鏈接】

Solar-powered overall water splitting system combing metal-organic frameworks derived bimetallic nanohybrids based electrocatalysts and one organic solar cell. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.10.058?.

麥文杰，研究員，系主任。從事納米光電材料和納米能源材料，及其相關新型器件的研究。近幾年的代表性論文如下：

1.J.L. Li, W. Qin, J.P. Xie, H. Lei, Y.Q. Zhu, W.Y. Huang, X. Xu, Z.J. Zhao, W.J. Mai*, “Sulphur-doped reduced graphene oxide sponges as high-performance free-standing anodes for K-ion storage,” Nano Energy 53 (2018) 415-424.

2.J.J. Lao, P. Sun, F. Liu, X.J. Zhang, C.X.Zhao, W.J. Mai*, T. Guo *, G.Z. Xiao, J. Albert, “In Situ Plasmonic Optical Fiber Detection of the State of Charge of Supercapacitors for Renewable Energy Storage,” Light: Science & Applications, 7 (2018) 34.

3.K.H.Ye, Z.L.Wang, J.W. Gu, S. Xiao, Y.F. Yuan, Y. Zhu, Y.M. Zhang*, W.J. Mai*, S.H.Yang*, “Carbon quantum dots as a visible light sensitizer to significantly increase the solar water splitting performance of bismuth vanadate photoanodes,” Energy & Environmental Science. 10 (2017) 772-779.

4.P. Sun, R. Lin, Z.L. Wang, M.J. Qiu, Z.S. Chai, B.D. Zhang, H. Meng, S.Z. Tan, C.X. Zhao*, W.J. Mai*, “Rational design of carbon shell endows TiN@C nanotube based fiber supercapacitors with significantly enhanced mechanical stability and electrochemicalperformance” Nano Energy 31 (2017) 432-440.

5.Z.S. Chai, N.N. Zhang, P. Sun, Y. Huang, C.X. Zhao,H.J.Fan, X. Fan*, W.J. Mai*, “Tailorable and Wearable Textile Devices for Solar Energy Harvesting and Simultaneous Storage,” ACS Nano, 10 (2016) 9201-9207. ?

6.P.H. Yang, P. Sun, W.J. Mai*, “Electrochromic energy storage devices,” Materials Today, 19 (2016) 394-402.

本文由暨南大學的麥文杰團隊供稿，材料人編輯部編輯。

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