高效光解水光电极设计的研究进展

doi:10.1016/S1872-2067(17)62998-X

摘要/Abstract

摘要：

光电化学（PEC）分解水过程被认为是由太阳能制氢的一个有前景的路径，PEC的关键在于高效电极的设计.最近的十多年里有关材料设计、共催化剂研究和电极制造取得了重大进展，但仍存在一些关键挑战尚未解决，包括迫切所需的转化效率.作为PEC过程的三个关键步骤：光采集、电荷转移和表面反应，发生在很广的时间尺度（10^-12-10⁰ s）内，如何组织好这一连串的步骤以促进各步骤间的无缝协作从而实现高效的PEC过程显得非常重要.基于高效稳定PEC光电极设计的研究进展，本文重点综述了整体考虑的三个主要标准，总结了一些基本原则和潜在的策略，尤其讨论了挑战与前景.

关键词: 太阳能, 制氢, 光电极, 光采集, 电荷分离, 表面反应

Abstract:

Photoelectrochemical (PEC) water splitting process is regarded as a promising route to generate hydrogen by solar energy and at the heart of PEC is efficient electrode design. Great progress has been achieved in the aspects of material design, cocatalyst study, and electrode fabrication over the past decades. However, some key challenges remain unsolved, including the most demanded conversion efficiency issue. As three critical steps, i.e. light harvesting, charge transfer and surface reaction of the PEC process, occur in a huge range of time scale (from 10^-12 s to 10⁰ s), how to manage these subsequent steps to facilitate the seamless cooperation between each step to realize efficient PEC process is essentially important. This review focuses on an integral consideration of the three key criteria based on the recent progress on high efficient and stable photoelectrode design in PEC. The basic principles and potential strategies are summarized. Moreover, the challenge and perspective are also discussed.

Key words: Solar energy, Hydrogen production, Photoelectrode, Light harvesting, Charge separation, Surface reaction

Zhiliang Wang, Lianzhou Wang. 高效光解水光电极设计的研究进展[J]. 催化学报, 2018, 39(3): 369-378.

Zhiliang Wang, Lianzhou Wang. Progress in designing effective photoelectrodes for solar water splitting[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(3): 369-378.

×
扫码分享

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cjcatal.com/CN/10.1016/S1872-2067(17)62998-X

https://www.cjcatal.com/CN/Y2018/V39/I3/369

参考文献

[1] B. Kumar, M. Llorente, J. Froehlich, T. Dang, A. Sathrum, C. P. Kubiak, Annu. Rev. Rhys. Chem., 2012, 63, 541-569.
[2] M. G. Walter, E. L. Warren, J. R. McKone, S. W. Boettcher, Q. Mi, E. A. Santori, N. S. Lewis, Chem. Rev., 2010, 110, 6446-6473.
[3] Z. B. Chen, T. F. Jaramillo, T. G. Deutsch, A. Kleiman-Shwarsctein, A. J. Forman, N. Gaillard, R. Garland, K. Takanabe, C. Heske, M. Sunkara, E. W. McFarland, K. Domen, E. L. Miller, J. A. Turner, H. N. Dinh, J. Mater. Res., 2010, 25, 3-16.
[4] M. Gratzel, Nature, 2001, 414, 338.
[5] A. Fujishima, K. Honda, Nature, 1972, 238, 37-38.
[6] R. Shinar, J. H. Kennedy, Sol. Energy Mater., 1982, 6, 323-335.
[7] C. Zhen, L. Wang, G. Liu, G. Q. M. Lu, H. M. Cheng, Chem. Comm. 2013, 49, 3019-3021.
[8] G. J. Liu, J. Y. Shi, F. X. Zhang, Z. Chen, J. F. Han, C. M. Ding, S. S. Chen, Z. L. Wang, H. X. Han, C. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 7295-7299.
[9] Z. L. Wang, J. F. Han, Z. Li, M. R. Li, H. Wang, X. Zong, C. Li, Adv. Energy Mater.,2016, 6, 1600864.
[10] K. P. Sokol, D. Mersch, V. Hartmann, J. Z. Zhang, M. M. Nowaczyk, M. Rögner, A. Ruff, W. Schuhmann, N. Plumeré, E. Reisner, Energy Environ. Sci., 2016, 9, 3698-3709.
[11] Z. Yu, F. Li, L. C. Sun, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 760-775.
[12] A. J. Bard, M. A. Fox, Acc. Chem. Res., 1995, 28, 141-145.
[13] K. Sivula, Chimia, 2013, 67, 155-161.
[14] Z. Zhang, J. T. Yates Jr, Chem. Rev., 2012, 112, 5520-5551.
[15] R. H. Wilson, Crit. Rev. Solid State and Mater. Sci., 1980, 10, 1-41.
[16] H. Gerischer, Electrochi. Acta, 1990, 35, 1677-1699.
[17] H. Gerischer, in:Photovoltaic and photoelectrochemical solar energy conversion, Springer, 1981, 199-261.
[18] S. Soedergren, A. Hagfeldt, J. Olsson, S. E. Lindquist, J. Phys. Chem., 1994, 98, 5552-5556.
[19] H. Dotan, K. Sivula, M. Grätzel, A. Rothschild, S. C. Warren, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 958-964.
[20] Z. L. Wang, G. J. Liu, C. M. Ding, Z. Chen, F. X. Zhang, J. Y. Shi, C. Li, J. Phys. Chem. C, 2015, 119, 19607-19612.
[21] G. M. Wang, X. H. Xiao, W. Q. Li, Z. Y. Lin, Z. P. Zhao, C. Chen, C. Wang, Y. J. Li, X. Q. Huang, L. Miao, C. Z. Jiang, Y. Huang, X. F. Duan, Nano Lett., 2015, 15, 4692-4698.
[22] S. Hoang, S. P. Berglund, N. T. Hahn, A. J. Bard, C. B. Mullins, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 3659-3662.
[23] S. Hoang, S. W. Guo, N. T. Hahn, A. J. Bard, C. B. Mullins, Nano Lett., 2011, 12, 26-32.
[24] S. J. Zhuo, M. W. Shao, S. T. Lee, ACS Nano, 2012, 6, 1059-1064.
[25] C. X. Guo, Y. Q. Dong, H. B. Yang, C. M. Li, Adv. Energy Mater., 2013, 3, 997-1003.
[26] X. Zhang, H. Huang, J. Liu, Y. Liu, Z. H. Kang, J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 11529-11533.
[27] P. Peerakiatkhajohn, J. H. Yun, H. Chen, M. Lyu, T. Butburee, L. Wang, Adv. Mater., 2016, 28, 6405-6410.
[28] H. J. Chen, Q. Wang, M. Q. Lyu, Z. Zhang, L. Z. Wang, Chem. Comm., 2015, 51, 12072-12075.
[29] P. Peerakiatkhajohn, T. Butburee, J. H. Yun, H. J. Chen, R. M. Richards, L. Z. Wang, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 20127-20133.
[30] P. Zhang, L. Gao, X. F. Song, J. Sun, Adv. Mater., 2015, 27, 562-568.
[31] K. Sivula, F. Le Formal, M. Grätzel, ChemSusChem, 2011, 4, 432-449.
[32] J. K. Li, Y. C. Qiu, Z. H. Wei, Q. F. Lin, Q. P. Zhang, K. Y. Yan, H. N. Chen, S. Xiao, Z. Y. Fan, S. H. Yang, Energy Environ. Sci., 2014, 7, 3651-3658.
[33] Y. C. Qiu, S. F. Leung, Q. P. Zhang, B. Hua, Q. F. Lin, Z. H. Wei, K. H. Tsui, Y. G. Zhang, S. H. Yang, Z. Y. Fan, Nano Lett., 2014, 14, 2123-2129.
[34] Y. C. Qiu, W. Liu, W. Chen, G. M. Zhou, P. C. Hsu, R. F. Zhang, Z. Liang, S. S. Fan, Y. G. Zhang, Y. Cui, Sci. Adv., 2016, 2, e1501764.
[35] F. Le Formal, S. R. Pendlebury, M. Cornuz, S. D. Tilley, M. Gratzel, J. R. Durrant, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 2564-2574.
[36] R. Liu, Z. Zheng, J. Spurgeon, X. G. Yang, Energy Environ. Sci., 2014, 7, 2504-2517.
[37] Z. L. Wang, Y. Qi, C. M. Ding, D. Y. Fan, G. J. Liu, Y. L. Zhao, C. Li, Chem. Sci,. 2016, 7, 4391-4399.
[38] F. Le Formal, N. Tétreault, M. Cornuz, T. Moehl, M. Grätzel, K. Sivula, Chem. Sci., 2011, 2, 737-743.
[39] T. Hisatomi, F. Le Formal, M. Cornuz, J. Brillet, N. Tétreault, K. Sivula, M. Grätzel, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 2512-2515.
[40] C. Zachäus, F. F. Abdi, L. M. Peter, R. van de Krol, Chem. Sci., 2017, 8, 3712-3719.
[41] B. Klahr, T. Hamann, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 10393-10399.
[42] O. Zandi, T. W. Hamann, Nat. Chem., 2016, 8, 778-783.
[43] Z. L. Wang, F. T. Fan, S. Y. Wang, C. M. Ding, Y. L. Zhao, C. Li, RSC Adv., 2016, 6, 85582-85586.
[44] Y. Pihosh, K. Mawatari, J. Uemura, Y. Kazoe, T. Kitamori, I. Turkevych, S. Kosar, K. Makita, T. Sugaya, T. Matsui, M. Kondo, D. Fujita, M. Tosa, Sci. Rep., 2015, 5,11141.
[45] J. Zhao, T. Minegishi, L. Zhang, M. Zhong, M. Nakabayashi, G. J. Ma, T. Hisatomi, M. Katayama, S. Ikeda, N. Shibata, T. Yamada, K. Domen, Angew. Chem. In. Ed., 2014, 53, 11808-11812.
[46] F. Jiang, Gunawan, T. Harada, Y. Kuang, T. Minegishi, K. Domen, S. Ikeda, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 13691-13697.
[47] J. Y. Feng, W. J. Luo, T. Fang, H. Lv, Z. Q. Wang, J. Gao, W. M. Liu, T. Yu, Z. S. Li, Z. G. Zou, Adv. Func. Mater., 2014, 24, 3535-3542.
[48] M. Zhong, T. Hisatomi, Y. Kuang, J. Zhao, M. Liu, A. Iwase, Q. Jia, H. Nishiyama, T. Minegishi, M. Nakabayashi, N. Shibata, R. Niishiro, C. Katayama, H. Shibano, M. Katayama, A. Kudo, T. Yamada, K. Domen, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 5053-5060.
[49] K. Ueda, T. Minegishi, J. Clune, M. Nakabayashi, T. Hisatomi, H. Nishiyama, M. Katayama, N. Shibata, J. Kubota, T. Yamada, K. Domen, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 2227-2230.
[50] T. Minegishi, N. Nishimura, J. Kubota, K. Domen, Chem. Sci., 2013, 4, 1120-1124.
[51] J. Y. Liu, T. Hisatomi, G. J. Ma, A. Iwanaga, T. Minegishi, Y. Moriya, M. Katayama, J. Kubota, K. Domen, Energy Environ. Sci., 2014, 7, 2239-2242.
[52] J. Y. Cao, T. Kako, N. Kikugawa, J. H. Ye, J. Phy. D, 2010, 43, 325101.
[53] A. V. Moholkar, S. S. Shinde, G. L. Agawane, S. H. Jo, K. Y. Rajpure, P. S. Patil, C. H. Bhosale, J. H. Kim, J. Alloys Compd., 2012, 544, 145-151.
[54] R. Abe, T. Takata, H. Sugihara, K. Domen, Chem. Lett., 2005, 34, 1162-1163.
[55] R. Abe, M. Higashi, K. Domen, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 11828-11829.
[56] N. T. Hahn, C. B. Mullins, Chem. Mater., 2010, 22, 6474-6482.
[57] C. M. Ding, J. Y. Shi, D. E. Wang, Z. J. Wang, N. Wang, G. J. Liu, F. Q. Xiong, C. Li, Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15, 4589-4595.
[58] F. F. Abdi, L. Han, A. H. M. Smets, M. Zeman, B. Dam, R. Van De Krol, Nat. Commun., 2013, 4, 2195.
[59] S. C. Wang, P. Chen, J. H. Yun, Y. X. Hu, L. Z. Wang, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 8500-8504.
[60] J. M. Spurgeon, J. M. Velazquez, M. T. McDowell, Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16, 3623-3631.
[61] S. S. Chen, S. Shen, G. J. Liu, Y. Qi, F. X. Zhang, C. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 3047-3051.
[62] G. J. Liu, S. Ye, P. L. Yan, F. Q. Xiong, P. Fu, Z. L. Wang, Z. Chen, J. Y. Shi, C. Li, Energy Environ. Sci., 2016, 9, 1327-1334.
[63] T. W. Kim, K. S. Choi, Science, 2014, 343, 990-994.
[64] Y. Huang, Y. Yu, Y. Xin, N. Meng, Y. Yu, B. Zhang, Sci. China Mater., 2017, 60, 193-207.
[65] L. Wang, F. Dionigi, N. T. Nguyen, R. Kirchgeorg, M. Gliech, S. Grigorescu, P. Strasser, P. Schmuki, Chem. Mater., 2015, 27, 2360-2366.
[66] Z. L. Wang, X. Zong, Y. Y. Gao, J. F. Han, Z. Q. Xu, Z. Li, C. M. Ding, S. Y. Wang, C. Li, ACS Appl. Mater. Interf., 2017.
[67] A. Paracchino, N. Mathews, T. Hisatomi, M. Stefik, S. D. Tilley, M. Grätzel, Energy Environ. Sci., 2012, 5, 8673-8681.
[68] J. R. McKone, E. L. Warren, M. J. Bierman, S. W. Boettcher, B. S. Brunschwig, N. S. Lewis, H. B. Gray, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 3573-3583.
[69] F. D. Lin, S. W. Boettcher, Nat. Mater., 2014, 13, 81-86.
[70] L. Trotochaud, T. J. Mills, S. W. Boettcher, J. Phys. Chem. Lett., 2013, 4, 931-935.
[71] M. R. Nellist, F. A. L. Laskowski, F. D. Lin, T. J. Mills, S. W. Boettcher, Acc. Chem. Res., 2016, 49, 733-740.
[72] S. Chen, L. W. Wang, Chem. Mater., 2012, 24, 3659-3666.
[73] A. Paracchino, V. Laporte, K. Sivula, M. Grätzel, E. Thimsen, Nat. Mater., 2011, 10, 456.
[74] Z. M. Xia, X. M. Zhou, J. Li, Y. Q. Qu, Sci. Bull., 2015, 60, 1395-1402.
[75] M. J. Kenney, M. Gong, Y. Li, J. Z. Wu, J. Feng, M. Lanza, H. Dai, Science, 2013, 342, 836-840.
[76] C. M. Ding, J. Y. Shi, Z. L. Wang, C. Li, ACS Catal., 2016, 7, 675-688.
[77] P. Peerakiatkhajohn, J. H. Yun, S. Wang, L. Wang, J. Photon. Energy, 2016, 7, 012006.
[78] S. Chu, W. Li, Y. F. Yan, T. Hamann, I. Shih, D. W. Wang, Z. T. Mi, Nano Futures, 2017, 1, 022001.
[79] R. G. Li, Chin. J. Catal., 2017, 38, 5-12.
[80] S. A. Bonke, M. Wiechen, D. R. MacFarlane, L. Spiccia, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 2791-2796.
[81] J. S. Luo, J. H. Im, M. T. Mayer, M. Schreier, M. K. Nazeeruddin, N. G. Park, S. D. Tilley, H. J. Fan, M. Grätzel, Science, 2014, 345, 1593-1596.
[82] J. H. Kim, Y. Jo, J. H. Kim, J. W. Jang, H. J. Kang, Y. H. Lee, D. S. Kim, Y. Jun, J. S. Lee, ACS Nano, 2015, 9, 11820-11829.