大連化物所發(fā)展出抑制光催化分解水制氫逆反應(yīng)新技術(shù)

近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、太陽能研究部中科院院士李燦、博士后李政和研究員李仁貴等，在納米顆粒光催化完全分解水制氫的逆反應(yīng)（氫氣和氧氣復(fù)合生成水的反應(yīng)）研究方面取得新進(jìn)展，確認(rèn)光催化完全分解水逆反應(yīng)發(fā)生于低配位活性位點(diǎn)，并利用原子層沉積技術(shù)精準(zhǔn)定點(diǎn)修飾抑制逆反應(yīng)，從而顯著提升了光催化完全分解水的性能。

太陽能光催化完全分解水制氫具有重要的應(yīng)用背景，更是基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的前沿課題。其中，光催化完全分解水體系中助催化劑表面的氫氧逆反應(yīng)是該領(lǐng)域長期未解決的重要問題。逆反應(yīng)的存在使得完全分解水光催化體系的效率很低，甚至無法實(shí)現(xiàn)分解水反應(yīng)，是光催化完全分解水的“最后一公里”。李燦團(tuán)隊(duì)長期致力于光催化分解水中助催化劑及其表面的催化作用研究，取得系列重要進(jìn)展【在國際上較早提出并發(fā)展了雙助催化劑概念（J. Catal.、Catal. Lett.、Acc. Chem. Res.、Energy Environ. Sci.），并開發(fā)出單核錳水氧化催化劑，活性可媲美自然界水氧化催化劑的產(chǎn)氧活性（Nat. Catal.）】。

本工作聚焦光催化完全分解水體系中助催化劑表面的氫氧逆反應(yīng)問題，以典型的可見光催化完全分解水的催化劑Rh/GaN-ZnO為研究對(duì)象，通過原子層沉積（ALD）的方式將氧化鋁（Al2O3）沉積到光催化劑反應(yīng)中心，可顯著提升光催化全分解水的活性。研究發(fā)現(xiàn)，ALD沉積Al2O3可以使Rh/GaN-ZnO上的逆反應(yīng)降低90%，進(jìn)一步通過光譜表征結(jié)合理論模擬證明，Al2O3主要沉積在Rh納米顆粒表面的低配位點(diǎn)上，揭示了Rh表面的低配位點(diǎn)是氫氧逆反應(yīng)的主要反應(yīng)位點(diǎn)。該研究通過ALD選擇性地將Al2O3沉積到Rh表面低配位點(diǎn)上，有效阻斷了氫氧逆反應(yīng)的發(fā)生，從而將Rh/GaN-ZnO上可見光催化完全分解水的量子效率從0.3%提升至7.1%。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)ALD選擇性沉積氧化物的策略適用于其他貴金屬助催化劑，證明了這一策略的普適性。該工作明確了光催化完全分解水中氫氧逆反應(yīng)的活性位點(diǎn)和機(jī)制，為解決這一挑戰(zhàn)性問題提供了新的普適性策略。

相關(guān)研究成果以Blocking the reverse reactions of overall water splitting on a Rh/GaN–ZnO photocatalyst modified with Al2O3為題，發(fā)表在《自然-催化》（Nature Catalysis）上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)“人工光合成”基礎(chǔ)科學(xué)中心等的支持。

大連化物所發(fā)展出抑制光催化分解水制氫逆反應(yīng)新技術(shù)