Nature光催化：光催化裂解水的太阳能制氢效率超过9%

一、导读

从阳光和水这两种地球上最丰富的自然资源中生产氢燃料，是实现碳中和最有希望的途径之一。一些太阳能制氢方法，例如光电化学水分解，通常需要腐蚀性电解质，影响了其性能稳定性和环境可持续性。另外，清洁的氢可以直接通过太阳光催化水分解产生。然而，光催化水分解的太阳能制氢(STH)效率一直很低。由于常见光催化剂材料的可见光响应范围窄、光生电子空穴复合严重、表面催化过电位高以及产生的氢和氧的不良重组，导致大多数光催化系统的太阳能-氢(STH)效率有限。光催化剂的光响应范围直接决定了其理论最大运输效率。虽然近40%的太阳光位于可见光谱(400-700 nm)，理论上光催化OWS的STH效率可以达到24%。然而，目前报道的可见光响应催化剂一般限于400-485 nm，能量转换效率有限。除紫外线和可见光外，红外线的含量可达50%。然而，红外线不能直接光激发催化剂产生具有足够能量的电子和空穴来驱动OWS，这限制了光催化OWS的STH效率。因此需要一种有效的方法，可以潜在地利用全太阳光谱进行光催化OWS，大大提高STH效率。

最近，在商用硅片上可控生长的氮化镓铟(InGaN)/氮化镓(GaN)纳米线(NW)光催化剂，显示出较宽的可见光响应范围(400-700 nm)和适合OWS的带边电位。在调整表面能带结构、内部电场和助催化剂等方面以提高STH效率也取得了实质性进展。因此，InGaN/GaN NW光催化剂为实现高效光催化裂解水提供了一个合适的平台。

二、成果掠影

近日，美国密歇根大学的米泽田课题组报道了通过分子束外延生长技术在商业硅片上制备了具有高结晶度和宽可见光响应范围（<632 nm）的Rh/Cr₂O₃/Co₃O₄-InGaN/GaN NWs催化剂。在高强度聚焦太阳光（3800 mW cm^-2）的照射下，该NWs的水分解效率显示出了明显的温度依赖特性，在最佳的反应温度（70 ℃）下观察到了9.2%的STH效率。此外，在4cm× 4cm的光催化剂晶圆上在上利用16,070 mW cm⁻²的自然强光进行实验，实现了大规模光催化OWS系统下6.2% 的STH效率，显示了实际应用的可行性相关研究工作以“Solar-to-hydrogen efficiency of more than 9% in photocatalytic water splitting”为题发表在国际顶级期刊Nature上。

三、核心创新点

通过高强度聚焦太阳光产生的红外热效应在InGaN/GaN表面的光催化全解水过程中不仅促进了正向的水分解反应，而且抑制了逆向的氢氧复合反应，该策略使InGaN纳米线表现出了9.2%超高的光催化全解水效率。

四、数据概览

图1结构表征 © 2023 Springer Nature Limited

(a) 45°倾斜的InGaN/GaN NWs FESEM照片。(b) InGaN/GaN NWs的XRD谱图。(c) InGaN/GaN异质结构的STEM照片。(d) Rh/Cr₂O₃/Co₃O₄-InGaN/GaN NWs上的HRTEM。(e) Rh/Cr₂O₃/ Co₃O₄-InGaN/GaN NWs的STEM和元素分布图。

图2 性能评估和机制分析 © 2023 Springer Nature Limited

(a) Rh/CrO₃/ Co₃O₄-InGaN /GaN NWs的STH效率与温度的关系。(b) Rh/Cr₂O₃/ Co₃O₄-InGaN/GaN NWs在3800 mW cm⁻²自然强光下的稳定性测试。每个周期为1小时。(c)与温度相关的氢氧复合反应。(d) 氢氧复合反应在助催化剂 Co₃O₄、Rh和 Cr₂O₃上的自由能变化曲线。

图3 实际应用和大规模应用。© 2023 Springer Nature Limited

(a) (b) Rh/Cr₂O₃/ Co₃O₄-InGaN/GaN NWs在自来水(a)和3.5 wt% NaCl的模拟海水(b)中的STH效率。(c)(d) 室外光催化OWS系统图像(c)和 Rh/Cr₂O₃/ Co₃O₄-InGaN/GaN NW在集中自然阳光下(约16070 mW cm⁻²)的STH效率(d)。每个周期为10分钟。

五、成果启示

该研究在最佳反应温度(约70摄氏度)条件下，通过使用强太阳光、纯水、氮化铟镓光催化剂，实现了9.2%的高STH效率。此外，这种具有温度依赖性的方法可以从自来水和海水中实现约7%的STH效率，在天然太阳能容量为257瓦的大规模光催化水分解系统中实现6.2%的STH效率。该研究提供了一种利用自然太阳光和水高效生产氢燃料的实用方法，克服了太阳能制氢的效率瓶颈。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05399-1

本文由张熙熙供稿。