暨南大学Nano Energy 封面：MOF衍生双金属纳米电催化剂与单个有机太阳能电池联用的全解水系统

【引言】

近年来，氢能源被认为是替代传统燃料最具有前景的清洁能源。在众多的产氢体系中，利用太阳能电池驱动的电解水产氢因其无污染、太阳能-氢气转化效率高被认为是最具有发展潜力的创新型制氢方式之一（Science, 345 (2014) 1593-1596），受到研究者们广泛关注。目前多数电解水装置所需工作电压约为 1.6-1.8 V，而单个商业化硅基、碲化镉太阳电池的开路电压在1 V左右，难以满足全解水所需要的电压。目前较常用的办法是将多个光伏器件串联以提高其开路电压，满足电解水的电压需求。然而，多个光伏器件串联极大地增加了成本，降低了工作电流，进而降低了太阳能-氢气转换效率，限制了它们工业化的应用。与传统太阳能电池相比，串联结构有机太阳能电池（tandem organic solar cell）开路电压近2V，基本满足全解水所需的电压，是一种具有较大的潜力的光电转换供能器件。相比于传统的多个光伏器件串联的能源供应装置，串联结构有机太阳能电池能有效的降低成本和提高转换效率，具有更高的实用价值。因此设计高效率、高开路电压的有机太阳能电池并与高性能的电催化剂结合，构建太阳能驱动的电解水产氢体系，具有较大的科学意义和应用前景，有助于促进纳米催化、材料学、氢能产业和有机光伏产业的发展。

【成果简介】

近期，暨南大学的麦文杰研究员（共同通讯作者）、王子龙（共同通讯作者）及香港滚球体育 大学的颜河教授（共同通讯作者）等研究者在NanoEnergy上发表了题为：“Solar-powered overall water splitting system combing metal-organicframeworks derived bimetallic nanohybrids based electrocatalysts and oneorganic solar cell”的封面文章，其中硕士研究生林锐、雷航为共同第一作者。研究人员利用普鲁士蓝MOF结构为前驱体，设计了成分可控的FeCoP和FeCoS双金属纳米催化剂，以此为基础构建的全解水体系在电压为1.6 V时电流密度为10 mA cm^-2。同时，基于以上的全解水体系，构建了串联结构有机太阳能电池驱动电解水产氢系统，实现了较高的太阳能-氢气转换效率（9.2%）。

【图文简介】

图1. FeCoS和FeCoP双金属纳米催化剂的制备合成途径

图2. FeCoS和FeCoP双金属纳米催化剂的形貌表征

（a）FeCoS/NC的TEM图。

（b）FeCoS/NC的能谱线扫图。

（c）FeCoS/NC的元素mapping图。

（d）FeCoP/NC的TEM图。

（e）FeCoP/NC的能谱线扫图。

（f）FeCoP/NC的元素mapping图。

图3. 太阳能电池驱动的电解水产氢体系

（a）CF@FeCoS/NC//CF@FeCoP/NC在电流密度30 mA cm^-2的稳定性测试。

（b）电流密度20mA cm^-2时的库伦效率（100%）。

（c）有机太阳能电池驱动全解水结构示意图。

（d）电解水体系和有机太阳能电池工作状况下的J-V曲线。

图4. 封面赏析

【小结】

以普鲁士蓝MOF结构为前驱体，研究者们设计了成分可控的FeCoP和FeCoS双金属纳米催化剂，其在HER（FeCoP）和OER（FeCoS）催化中表现出优异的活性，具有较低的过电位、快速的反应动力学和长期的稳定性。该两电极组成的CF@FeCoS/NC//CF@FeCoP/NC电解水体系在电流密度为10 mA cm^-2时分解电压仅为1.6 V，极大的降低了全解水所需要的能耗。在此基础上，结合一个高开路电压的串联有机太阳能电池，组建的太阳能驱动电解水装置在电流密度为7.5 mA cm⁻²时达到了较高的太阳能转化氢效率9.2%。该工作探索了太阳能转化为氢能源的新途径，为有机太阳能电池在电解水方面的应用提供了新想法和思路。

【文献链接】

Solar-powered overall water splitting system combing metal-organic frameworks derived bimetallic nanohybrids based electrocatalysts and one organic solar cell.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.10.058.

麦文杰，研究员，系主任。从事纳米光电材料和纳米能源材料，及其相关新型器件的研究。近几年的代表性论文如下：

1.J.L. Li, W. Qin, J.P. Xie, H. Lei, Y.Q. Zhu, W.Y. Huang, X. Xu, Z.J. Zhao, W.J. Mai*, “Sulphur-doped reduced graphene oxide sponges as high-performance free-standing anodes for K-ion storage,” Nano Energy 53 (2018) 415-424.

2.J.J. Lao, P. Sun, F. Liu, X.J. Zhang, C.X.Zhao, W.J. Mai*, T. Guo *, G.Z. Xiao, J. Albert, “In Situ Plasmonic Optical Fiber Detection of the State of Charge of Supercapacitors for Renewable Energy Storage,” Light: Science & Applications, 7 (2018) 34.

3.K.H.Ye, Z.L.Wang, J.W. Gu, S. Xiao, Y.F. Yuan, Y. Zhu, Y.M. Zhang*, W.J. Mai*, S.H.Yang*, “Carbon quantum dots as a visible light sensitizer to significantly increase the solar water splitting performance of bismuth vanadate photoanodes,” Energy & Environmental Science. 10 (2017) 772-779.

4.P. Sun, R. Lin, Z.L. Wang, M.J. Qiu, Z.S. Chai, B.D. Zhang, H. Meng, S.Z. Tan, C.X. Zhao*, W.J. Mai*, “Rational design of carbon shell endows TiN@C nanotube based fiber supercapacitors with significantly enhanced mechanical stability and electrochemicalperformance” Nano Energy 31 (2017) 432-440.

5.Z.S. Chai, N.N. Zhang, P. Sun, Y. Huang, C.X. Zhao,H.J.Fan, X. Fan*, W.J. Mai*, “Tailorable and Wearable Textile Devices for Solar Energy Harvesting and Simultaneous Storage,” ACS Nano, 10 (2016) 9201-9207.

6.P.H. Yang, P. Sun, W.J. Mai*, “Electrochromic energy storage devices,” Materials Today, 19 (2016) 394-402.

本文由暨南大学的麦文杰团队供稿，材料人编辑部编辑。

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