理化所人工光合成制氫研究取得進展

　　能源是人類社會賴以生存的物質基礎，是經濟和社會發展的重要資源。目前全球每年生產和消費的能源總量已經超過100億噸標準油，其中90%左右是化石能源。化石能源不可再生，其大規模的開發利用，迅速消耗著地球億萬年積存的寶貴資源，同時引起氣候變化、生態破壞等嚴重環境問題。開發利用可再生能源刻不容緩、勢在必行，且成為人類社會可持續發展的共同議題。作為重要的可再生能源，太陽能具有獨特的發展優勢和巨大的發展空間。太陽能取之不盡，地球表面每年接收的太陽輻射能約為120000太瓦，即每1小時接收的太陽能足夠滿足全世界1年的能量消耗。將太陽能轉化為化學能，并以氫氣的形式儲存是解決當前能源短缺和環境污染的重要途徑。氫氣能量密度高、清潔環保、使用方便，在燃燒時生成水，不產生任何污染物，是理想的能源載體;氫能與現有的能源系統匹配、兼容，能夠方便、高效地轉換成電或熱，具有較高的轉化效率。如果實現太陽能光催化分解水大規模制取氫氣，人類將有可能從根本上消除環境污染，緩和能源緊張形勢。當前世界各國高度重視，投入大量人力物力實施相關研究，并取得了許多重要進展。

　　中科院理化技術研究所超分子光化學研究團隊長期致力于光化學轉化的研究。近期，團隊成員利用量子點這一新興“人工原子”設計合成了新穎結構和組成的人工光合成催化劑，建立了通過量子點和廉價金屬原位制備人工光合成催化劑的方法，獲得了高效、穩定、廉價的人工光合成催化劑，取得了可見光催化制氫研究的突破性進展。例如：利用可見光照射MPA-CdTe量子點和無機鈷鹽成功制備了具有空腔結構的人工光合成催化劑Coh-CdTe。在抗壞血酸存在下光照70小時，Coh-CdTe的產氫速率為25μmolh-1mg-1，產氫效率TON高達219100(基于量子點摩爾濃度)或59600(基于催化劑的Co濃度);利用可見光照射MPA-CdSe量子點和無機鎳鹽的異丙醇水溶液原位制備了Nih-CdSe/CdS核殼結構的人工光合成催化劑。可見光照射10小時，Nih-CdSe/CdS的產氫速率達153μmolh-1mg-1，產氫效率TON達15340(基于CdSe量子點摩爾濃度)或18000(基于催化劑的Ni濃度)，可見光410nm光催化產氫的內量子效率為11.2%。通過XRD、XPS、ICP-AES表征揭示了光照后生成的Nih-CdSe/CdS核殼結構人工光合成催化劑，穩態和時間分辨光譜證明CdSe量子點受光激發后發生了向鎳離子的光誘導電子轉移，ESR及光譜實驗證實在光照過程中產生了羥基自由基和丙酮，說明水參與了整個催化循環。相關研究結果發表在國際期刊《能源環境科學》(Energy Environ. Sci. 2013, 6(2), 465-469)及《先進材料》(Adv. Mater. 2013, 25(45), 6613-6618)上，并作為封面和封底文章重點向讀者推薦。

　　相關研究工作得到了科技部“973”計劃、國家自然科學基金委、中國科學院知識創新工程的大力支持。

理化所人工光合成制氫研究取得進展