近日，由中國(guó)科學(xué)院院士、中科院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、太陽(yáng)能研究部研究員李燦指導(dǎo)的博士生葉盛等人，在模擬自然光合作用構(gòu)建高效的人工光合體系的研究中取得新進(jìn)展。科研人員基于仿生的概念，將部分氧化的石墨烯和空穴儲(chǔ)存層相結(jié)合，大幅度提高了光生電荷分離效率，從而實(shí)現(xiàn)了高效的光電催化分解水制氫，相關(guān)研究結(jié)果以全文的形式發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上（J.Am.Chem.Soc.,2018,DOI:10.1021/jacs.7b10662），并被邀請(qǐng)作為當(dāng)期封面文章。

該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)模擬光系統(tǒng)II中關(guān)鍵組分的重要功能，采用BiVO4半導(dǎo)體作為捕光材料，以及可抑制BiVO4光腐蝕的鎳鐵層狀雙氫氧化物（NiFeLDH）作為空穴儲(chǔ)存層（Angew.Chem.Int.Ed.,2014,53,7295;EnergyEnviron.Sci.,2016,9,1327）。同時(shí)以分子Co立方烷作為水氧化催化劑，用于模擬自然光合作用中的Mn4CaO5放氧中心。研究人員發(fā)現(xiàn)，部分氧化的石墨烯（pGO）可作為捕光材料與水氧化催化劑之間的電荷傳輸媒介，展示出類似于自然光系統(tǒng)II中酪氨酸（Tyr）的功能。研究結(jié)果顯示，該仿生體系在光電催化分解水反應(yīng)中具有高效性和高穩(wěn)定性，且水氧化反應(yīng)的起始電位為0.17V，接近熱力學(xué)理論值，為目前文獻(xiàn)報(bào)道的最低值。此外，該體系在1.23V（VS.RHE）偏壓下的光電流高達(dá)4.45mA·cm-2，太陽(yáng)能到氫能的轉(zhuǎn)化率（STH）大于2.0%。該工作是繼該研究組將半導(dǎo)體與分子催化劑耦合體系用于光催化的相關(guān)研究后（J.Catal.,2016,338,168;J.Am.Chem.Soc.,2016,138,10726），在光電催化分解水應(yīng)用方面取得的新進(jìn)展。

以上工作得到了科技部973項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心(iChEM)的資助。