第一作者：王肇琪，刘小磊
通讯作者：刘小磊*，王泽岩*，程合锋*，黄柏标*
通讯单位：山东大学晶体材料国家重点实验室
论文DOI：10.1002/adfm.202313950
近日，来自山东大学晶体材料研究院（晶体材料国家重点实验室）的黄柏标、王泽岩和程合锋教授团队与暨南大学刘小磊副教授合作，报道了一种高效无偏压硅（Si）光阴极耦合的钒酸铋（BiVO4）−三乙醇胺光电化学燃料电池用于同步制氢和污染物处理。结果显示，该BiVO4−三乙醇胺光电化学燃料电池系统在高效光电化学制氢的同时还能将三乙醇胺污染物彻底矿化降解，过量的三乙醇胺溶液可吸附光阳极产生的CO2，避免了CO2向外界环境中排放使所制备的氢气由“灰氢”转换成“蓝氢”；并且在Si光阴极辅助下，光电化学燃料电池系统实现了无偏压的光电化学制氢，电流密度达10.17mA cm−2。
由于水氧化反应热力学能垒高、动力学缓慢，光电化学分解水制氢的实际性能和效率受到严重限制。而利用有机废物构建光电化学燃料电池来取代传统的水氧化反应被认为是提升光电化学制氢性能的有效手段。但是，在大多数传统的光电化学燃料电池体系中，有机物（燃料）仅作为空穴牺牲剂使用，有机物中的化学能并未得到充分利用或被转换成额外的氢能，使得系统制氢性能依然较低，这与设计光电化学燃料电池的初衷并不一致，亟待开发新型且高效的光电化学燃料电池体系。
1. 构建基于强络合的三乙醇胺污染物和含氧空位的钒酸铋（BiVO4）电极的光电化学燃料电池体系。
2. 实现了高效光电化学制氢，并在硅（Si）光阴极辅助下实现了无偏压的光电化学制氢，电流密度达10.17mA cm−2。
图1. BiVO4−三乙醇胺光电化学燃料电池示意图。
首先，本文通过在BiVO4电极中引入氧空位，增强BiVO4电极的光电化学基础性能和有机底物（燃料）的吸附，将含氧空位的BiVO4电极作为光电化学燃料电池的光阳极。
图2. BiVO4电极的表征。
之后，本文利用含氧空位的BiVO4电极作为光阳极、三乙醇胺作为底物，搭建了三电极结构的BiVO4−三乙醇胺光电化学燃料电池。在模拟太阳光照射下，相比分解水系统（1.23 V vs. RHE下2.50 mA cm-2），该光电化学燃料电池系统表现出在1.23 V vs. RHE下高达20.40 mA cm-2的高电流密度，远超BiVO4的理论最大光电流密度（7.50 mA cm-2）。另外，该光电化学燃料电池系统表现出良好的稳定性，在6小时的运行时间内电流密度几乎没有下降。该光电化学燃料电池系统的阳极产物为CO2和N2，阴极产物为H2，法拉第效率均接近100 %，并且由于三乙醇胺的CO2吸附特性，CO2被转化为CO32-和HCO3-，与传统的光电化学燃料电池相比，该光电化学燃料电池系统没有CO2排放。
图3. BiVO4−三乙醇胺光电化学燃料电池的光电化学测试。
之后，本文通过原子层沉积（ALD）、理论计算等实验方法证明，BiVO4与三乙醇胺之间存在的强络合是该光电化学燃料电池性能优异的重要原因。传统光电化学燃料电池常用的有机底物，如甲醇、丙三醇和乙胺等，并不能达到本文中BiVO4−三乙醇胺光电化学燃料电池系统的性能，充分说明了BiVO4与三乙醇胺间强络合对于高的光电化学性能的重要性。含有大量胺基和羟基的三乙醇胺是一种具有强络合性和还原性的有机物。在本文的光电化学燃料电池系统中，三乙醇胺通过强络合性与BiVO4光阳极形成紧密接触的界面，为电荷和能量转移搭建桥梁。除了BiVO4光阳极的正常光电转换之外，在光生空穴的驱动下，三乙醇胺的化学能在其氧化过程中产生额外电子，最终经外电路至对电极产氢。在BiVO4电极提高的光电化学转化效率和三乙醇胺氧化过程中贡献的额外电流的协同作用下，该系统表现出了优异的性能。此外，与三乙醇胺具有类似的结构的单乙醇胺和二乙醇胺作为底物时，光电化学燃料电池系统表现出类似的增强效果。
图4. BiVO4−三乙醇胺光电化学燃料电池的机理探索。
最后，通过自制基于Si太阳能电池的析氢光阴极，本文搭建了无偏压的BiVO4−三乙醇胺光电化学燃料电池。在模拟太阳光照射下，该系统表现出10.17 mA cm-2的电流密度，并在6小时的运行时间内稳定性良好，实现了无偏压的高效光电化学制氢和三乙醇胺污染物降解。
图5. 无偏压BiVO4−三乙醇胺光电化学燃料电池。
本文设计并构建了一种BiVO4−三乙醇胺光电化学燃料电池系统，用于同步制氢和降解三乙醇胺污染物。实验和理论计算结果证明了BiVO4和三乙醇胺之间存在强络合，这种强络合对该系统的优异性能至关重要。将基于Si太阳能电池的光阴极集成到系统中后，该系统可以在大于10.00 mA cm-2的高电流密度下运行6小时进行无偏压的制氢和降解三乙醇胺污染物。这项工作为改善光电化学燃料电池的性能、实现同步制氢和污染物降解提供了新思路。
王肇祺，刘小磊*, 王泽岩*, 程合锋*, 黄柏标*；An Efficient Bias-Free Si Photocathode Coupled BiVO4-Triethanolamine Photoelectrochemical Fuel Cell for Simultaneous Pollutant Treatment and Hydrogen Production；Adv. Funct. Mater. 2023, 2313950；DOI: 10.1002/adfm.202313950
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202313950
王泽岩教授简介：工学博士，教授，博导，山东大学齐鲁青年学者。研究方向主要包括光催化产氢、光催化和电催化二氧化碳还原、光电催化分解水等。先后在Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Mater., ACS Catal.等国际知名学术期刊上发表SCI论文100余篇。先后承担国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目等。
刘小磊博士简介：工学博士，暨南大学副教授。研究方向主要包括光催化产氢、电催化产氢、光催化二氧化碳还原等。先后承担国家自然科学基金青年项目、山东省自然科学基金青年基金以及中国博士后科学基金等。
程合锋教授简介：工学博士，教授，博导，山东大学齐鲁青年学者。2012年在山东大学晶体材料研究所获得博士学位，先后获得日本学术振兴会(2012)和德国洪堡基金会(2015)资助，分别在日本大阪大学、德国柏林工业大学以及沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学从事博士后研究工作。主要开展半导体光催化、缺陷化学、表面等离子体共振效应、光电催化等在能源利用及转化方面的研究。至今在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等国际期刊发表30余篇论文。
黄柏标教授简介：工学博士，教授，博导，山东省“泰山学者”特聘教授，长期从事光催化材料、能源与环境材料的设计制备及其应用等方面的研究工作。近年来，先后在Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等国际知名学术期刊上发表SCI论文400余篇，19篇论文入选“ESI高被引论文”，总引用超过16000次，获国内授权发明专利20余项。先后承担国家科技部“973”和“863”计划项目、国家自然科学基金重点项目等国家级科研项目。
王肇祺，博士毕业于山东大学晶体材料研究院（晶体材料国家重点实验室），师从王泽岩教授和黄柏标教授，现为山东大学医学融合与实践中心博士后研究人员，研究方向为纳米材料在医工交叉和能源领域的应用。
本文仅用于学术分享，不做盈利使用，如有侵权，请联系后台小编删除
欢迎关注我们，订阅更多最新消息
“邃瞳科学云”推出专业的自然科学直播服务啦！不仅直播团队专业，直播画面出色，而且传播渠道多，宣传效果佳。
“邃瞳科学云"平台正在收集、整理各类学术会议信息，欢迎学会、期刊、会议组织方择优在邃瞳平台上进行线上直播，希望藉此帮助广大科研人员跨越时空的限制，实现自由、畅通地交流互动。欢迎老师同学们提供会议信息（会有礼品赠送），学会、期刊、会议组织方商谈合作，均请联系王女士：18612651915（微信同）。
投稿、荐稿、爆料：Editor@scisight.cn
