Joule综述: 通过分子工程制备水分解和二氧化碳还原功能器件

【 引言 】

化石能源的过度消耗和诸如环境污染、温室效应等全球问题推动着人类对可再生能源的不断探索。太阳能是几乎取之不尽的清洁可持续能源，将太阳能转换为电力或者是热能是利用太阳能最直接的方法，但是此类途径存在着难以解决的问题：一方面由于海拔、经纬度、气候等不同，太阳能在地球表面的分布并不均匀；另一方面电力、热量很难大量的存储和运输。将能量储存在稳定的化学物质如氢气或碳基燃料中可以有效的解决由太阳能时间、空间分布不均匀造成问题，因此通过水分解或二氧化碳还原反应储存太阳能的策略受到人们的广泛关注。

【 成果简介 】

分子催化剂和分子捕光材料的结构可以精确的控制，因此能更好的揭示结构与反应活性之间的关系。将纳米材料与分子催化剂或分子捕光体系结合构建水分解和二氧化碳还原功能器件的研究在近年迅速发展。近日，大连理工大学孙立成教授团队在Joule杂志发表综述论文“Device Fabrication for Water Oxidation, Hydrogen Generation, and CO₂Reduction via Molecular Engineering”。全文总结了通过分子工程制备电驱动和光电驱动的水分解和二氧化碳还原反应功能电极的各种策略。综述对水分解器件制备策略进行了系统性的介绍，详细的阐述了包括水氧化、产氢和二氧化碳还原反应在内的多种分子器件模型，并且根据催化剂在电极材料（包括导电基底、染料敏化半导体和窄带宽半导体）上的负载方法对分子器件进行了清晰地分类，对今后太阳能燃料分子器件研究提供了一定指导意义。

【 图文导读 】

图1. 三种水分解策略的示意图。

图2.催化剂通过芘取代基在碳纳米管上吸附而构建电极的实例。

图3. 将催化剂包埋于聚合物材料中而构建电极的实例。

图4. 用非共价吸附策略而构建电极的实例。

图5. C-C共价键连接而构建电极的实例。

图6. 酯键-金属氧化物共价连接催化剂而构建电极的实例。

在对PEC器件的分类中，作者将染料敏化半导体或窄带宽半导体看成催化剂负载的基底材料，根据催化剂在基底上的负载方法，对PEC器件进行了分类。

图7. 催化剂通过非共价连接策略构建PEC器件的实例。

图8. 催化剂通过包埋于聚合物材料策略构建PEC器件的实例。

图9. 催化剂通过共价键与光敏剂连接策略构建PEC器件的实例。

图10. 催化剂通过“层层组装”与光敏剂连接策略构建PEC器件的实例。

图11. 催化剂通过吸附基团构建PEC器件的实例。

图12. 基于共吸附策略制备的分子体系Z-Scheme PEC电池的实例。

图13. 催化剂通过吸附基团直接负载于可见光吸收半导体基底的实例。

图14. 染料敏化-可见光吸收半导体水氧化器件的实例。

表1. 水分解电极制备策略总结。

OpenAccess全文获取链接：Device Fabrication for Water Oxidation, Hydrogen Generation, and CO₂ Reduction via Molecular Engineering. Joule2018, 2, 36. https://doi.org/10.1016/j.joule.2017.10.012

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

投稿丨Licheng Sun团队

翻译丨晁栋梁博士

主编丨张哲旭

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