Sustainable hydrogen production from water using tandem dye-sensitized photoelectrochemical cells  

利用串聯(lián)染料敏化光電化學(xué)電池從水中可持續(xù)制氫  

來源：Nano Convergence (2021) 8:7

《納米融合》（2021年）第8卷第7期

 

摘要內(nèi)容：  

該綜述探討了串聯(lián)染料敏化光電化學(xué)電池（DSPEC）的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵材料進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注利用染料敏化界面實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)水分解制氫的系統(tǒng)。核心內(nèi)容包括：  

1. 背景與挑戰(zhàn)：氫能作為零碳燃料需通過可再生能源（如太陽(yáng)能）分解水制取，但傳統(tǒng)半導(dǎo)體基串聯(lián)電池成本高昂。染料敏化電極因材料成本低、吸光特性可調(diào)成為替代方案。  

2. 串聯(lián)電池優(yōu)勢(shì)：理論分析表明，雙結(jié)串聯(lián)DSPEC的太陽(yáng)能-氫能（STH）轉(zhuǎn)換效率上限（27%）顯著高于單結(jié)系統(tǒng)（17%），因可分級(jí)利用太陽(yáng)光譜（圖1）。  

 

3. 關(guān)鍵組件：  

   ? 半導(dǎo)體載體：TiO?（光陽(yáng)極）、NiO（光陰極）及SnO?@TiO?核殼結(jié)構(gòu)可抑制電荷復(fù)合（圖2）。  

 

   ? 發(fā)色團(tuán)：釕基（如Rubpy，圖4）和有機(jī)染料（如三聯(lián)苯胺-DCV，圖5）用于調(diào)控吸光范圍與能級(jí)匹配。  

 

 

   ? 催化劑：Ru(bda)型分子催化劑驅(qū)動(dòng)水氧化（TOF >300 s?1），鈷/鎳基催化劑用于產(chǎn)氫（圖3）。  

 

4. 系統(tǒng)架構(gòu)：報(bào)道的串聯(lián)DSPEC包括：  

   ? n/p型：TiO?光陽(yáng)極與NiO光陰極耦合（表1，F(xiàn)an et al.與Li et al.）。  

 

   ? DSPEC-DSSC型：染料敏化光陽(yáng)極串聯(lián)染料敏化太陽(yáng)能電池（如Sherman et al.與Wang et al.），最高STH達(dá)1.5%（表1）。  

 

5. 性能瓶頸：當(dāng)前STH效率（≤1.5%）仍低于半導(dǎo)體體系（30%），主因包括電荷復(fù)合、催化劑穩(wěn)定性及界面優(yōu)化不足。  

 

研究目的：  

1. 闡明串聯(lián)DSPEC的設(shè)計(jì)原理，實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)水分解制氫。  

2. 總結(jié)關(guān)鍵材料（半導(dǎo)體、染料、催化劑）的進(jìn)展與性能優(yōu)化策略。  

3. 分析已報(bào)道串聯(lián)系統(tǒng)的STH效率瓶頸，指明未來研究方向。  

 

研究思路：  

1. 理論框架：基于光物理與電化學(xué)原理，對(duì)比單結(jié)/串聯(lián)系統(tǒng)的STH效率極限（圖1）。  

2. 材料優(yōu)化：  

   ? 半導(dǎo)體界面工程（如SnO?@TiO?核殼抑制電子回傳）。  

 

   ? 染料設(shè)計(jì)拓展吸光范圍（如有機(jī)染料吸收紅光）。  

 

   ? 分子催化劑提升水氧化/產(chǎn)氫動(dòng)力學(xué)。  

 

3. 系統(tǒng)集成：  

   ? n/p型電極直接耦合（需解決NiO空穴遷移率低的問題）。  

 

   ? DSPEC-DSSC串聯(lián)（光陽(yáng)極與光伏電池堆疊，分級(jí)吸光）。  

 

4. 性能驗(yàn)證：通過光電流密度、STH效率及產(chǎn)物（H?/O?）定量評(píng)估系統(tǒng)性能。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義：  

1. 光電流密度（圖1，表1）  

   ? 數(shù)據(jù)：n/p-DSPEC體系達(dá)70 μA cm?2（Li et al.），DSPEC-DSSC體系達(dá)1.24 mA cm?2（Wang et al.）。  

 

   ? 意義：反映界面電荷分離效率，直接決定H?生成速率。  

 

2. STH效率（表1）  

   ? 數(shù)據(jù)：早期n/p-DSPEC為0.05%（Li et al.），優(yōu)化DSPEC-DSSC達(dá)1.5%（Wang et al.）。  

 

   ? 意義：衡量太陽(yáng)能到氫能的整體轉(zhuǎn)換效率，為商業(yè)化潛力提供關(guān)鍵指標(biāo)。  

 

3. 法拉第效率（Unisense電極數(shù)據(jù)）  

   ? 數(shù)據(jù)：O?法拉第效率45–79%（Sherman et al.），H?接近100%（Sheridan et al.）。  

 

   ? 意義：驗(yàn)證光電流用于目標(biāo)反應(yīng)（水分解）的選擇性，排除副反應(yīng)干擾。  

 

結(jié)論：  

1. 材料進(jìn)步：SnO?@TiO?核殼結(jié)構(gòu)（圖2）與Ru(bda)催化劑顯著提升光陽(yáng)極性能；有機(jī)染料拓展紅光吸收。  

2. 系統(tǒng)突破：DSPEC-DSSC架構(gòu)（如Wang et al.）通過分級(jí)吸光實(shí)現(xiàn)STH 1.5%，為當(dāng)前最高記錄。  

3. 核心挑戰(zhàn)：電荷復(fù)合、催化劑穩(wěn)定性（尤其NiO光陰極）及界面工程仍需優(yōu)化。  

4. 未來方向：開發(fā)寬光譜吸收染料、高效非貴金屬催化劑及穩(wěn)定界面封裝技術(shù)。  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：  

Unisense電化學(xué)微傳感器用于原位監(jiān)測(cè)O?/H?生成，其意義包括：  

1. 高選擇性檢測(cè)：  

   ? O?傳感器基于Clark電極原理，選擇性響應(yīng)溶解氧濃度（避免氣相色譜的取樣誤差）。  

 

   ? 應(yīng)用于密閉反應(yīng)體系（如Sherman et al.），實(shí)時(shí)量化光陽(yáng)極的O?產(chǎn)率。  

 

2. 法拉第效率驗(yàn)證：  

   ? 結(jié)合電荷總量計(jì)算，確定光電流用于水氧化的比例（如測(cè)得ηO?=45–79%），排除染料降解等副反應(yīng)影響。  

 

3. 反應(yīng)機(jī)理研究：  

   ? 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)O?生成動(dòng)力學(xué)（如Sheridan et al.），揭示催化劑活性與系統(tǒng)穩(wěn)定性關(guān)聯(lián)。  

 

4. 技術(shù)優(yōu)勢(shì)：  

   ? 空間分辨率高（微米級(jí)探頭），可定位電極局部反應(yīng)活性。  

 

   ? 相比破壞性取樣（GC-TCD），實(shí)現(xiàn)非侵入式連續(xù)監(jiān)測(cè)，提升數(shù)據(jù)可靠性。