独特的半导体/催化剂构造可利用阳光产生氢燃料

将含有分子钴的氢生成催化剂接枝到可见光吸收性半导体中，利用了乙烯基吡啶经紫外线诱导的固定化化学反应生成p型（100）磷化镓（GaP）。

伯克利实验室的研究人员开发了一种方法，通过该方法，分子产氢催化剂可以与吸收可见光的半导体界面连接，从而进行人工光合作用。

在寻找清洁，绿色的可持续能源来满足人类对子孙后代的需求时，也许没有任何一种技术能够与人工光合作用的最终潜力相提并论。仿生叶片可以仅由阳光，水和温暖的二氧化碳来生产能源密集的燃料，而氧以外的其他副产物则是化石燃料的理想替代品，但也带来了许多科学挑战。美国能源部（DOE）的劳伦斯·伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的研究人员已朝着应对这些挑战中的至少一项迈出了重要的一步，该实验室位于人工光合作用联合中心（JCAP）。

伯克利实验室物理生物科学处的化学家，JCAP首席研究员加里·摩尔说：“我们已经开发出一种方法，可以将分子产氢的催化剂与吸收可见光的半导体相连接。”“我们的实验结果表明，催化剂和吸光剂在结构和功能上都相互连接。”

摩尔（Moore）是与Junko Yano和Ian Sharp（与伯克利实验室（Berkeley Lab）和JCAP共同任命）的通讯作者，他在《美国化学学会杂志》（JACS）上描述了这项研究。这篇文章的标题为“光功能结构，该结构将用于生产氢气的分子钴基催化剂与可见光吸收半导体连接起来。”合著者是亚历山德拉·克拉维兹（Alexandra Krawicz），杨金慧（Jinhui Yang）和伊坦·安赞伯格（Eitan Anzenberg）。

一小时的阳光照射下，地球所吸收的能量超过了整个人类一年所消耗的能量。通过光合作用，绿色植物利用太阳能将水分子分解为氧，氢离子（质子）和自由电子。氧气以废物的形式释放，质子和电子用于将二氧化碳转化为植物用于能源的碳水化合物糖。科学家的目的是模仿这个概念，但会改善实际过程。

JCAP于2010年由美国能源部（DOE）成立，作为能源创新中心，其在伯克利的北部分支机构和在加州理工学院（Caltech）校园的南部分支机构均设有分支机构。作为加州理工学院和伯克利实验室之间的合作伙伴关系，JCAP是美国最大的研究计划，致力于开发人造太阳能燃料技术。虽然可以使用人工光合作用来发电，但燃料可以是更有效的存储和运输能量的手段。目标是建立一个人工光合作用系统，其效率至少要比自然光合作用高出10倍。

为此，一旦光阳极使用太阳能分解水分子，JCAP科学家就需要高性能的半导体光阴极，这些阴极可以利用太阳能来催化燃料的生产。在先前的生产氢燃料的努力中，催化剂已被固定在非光活性基材上。该方法需要施加外部电势以产生氢。摩尔和他的同事们将这些步骤组合成一个单一的材料。

摩尔说：“将可见光的吸收与氢气在一种材料中的产生结合起来，我们可以简单地通过照射我们的光电阴极来产生燃料。”“不需要外部电化学正向偏压。”

新的JCAP光阴极构造由半导体磷化镓和钴钴肟类化合物中的一种含钴分子产氢催化剂组成。磷化镓作为可见光的吸收剂，比吸收紫外线的半导体可以利用更多的可用太阳光子，这意味着它能够产生更高的光电流和更高的燃料生产率。然而，众所周知，磷化镓在光电化学操作过程中可能不稳定。

Moore和他的同事发现，用聚合物乙烯基吡啶的膜覆盖磷化镓的表面可减轻不稳定性问题，如果再用钴氧肟催化剂对乙烯基吡啶进行化学处理，则可显着提高产氢量。

“我们方法的模块化方面允许对吸光剂，链接材料和催化剂进行独立修改，这意味着当新材料和发现出现时，它可以与束缚在结构化光电阴极上的其他催化剂一起使用，” Moore说。“例如，这可以使我们用富含地球的元素制成的催化剂代替当前许多太阳能发电机原型中使用的贵金属催化剂。”

尽管磷化镓具有令人鼓舞的电子特性，但它具有中等大小的光学带隙，最终限制了可用于吸收的太阳光子的总份额。摩尔和他的同事现在正在研究覆盖更广太阳光谱的半导体，以及在较低电势下能更快运行的催化剂。他们还计划研究用于减少二氧化碳的分子催化剂。

穆尔说：“我们期待将我们的方法进行调整，以结合具有改善性能的材料，以将阳光转化为燃料。”“我们相信我们的方法为JCAP和其他地方的研究人员提供了开发集成光电阴极材料的重要工具，这些材料可用于未来的太阳能燃料发电机以及其他能够减少二氧化碳净排放的技术。”

这项研究由美国能源部科学办公室资助。

出版物：亚历山德拉·克拉维奇（Alexandra Krawicz）等人，“光功能结构，该结构将分子钴基催化剂与H2产生的分子与可见光吸收半导体连接”，J。Am。化学Soc。，2013，135（32），第11861-11868页; DOI：10.1021 / ja404158r

图像：劳伦斯·伯克利国家实验室