高效光解水光电极设计的研究进展

Zhiliang Wang Lianzhou Wang

引用本文: 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. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62998-X shu
Citation:  Zhiliang Wang,  Lianzhou Wang. Progress in designing effective photoelectrodes for solar water splitting[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(3): 369-378. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62998-X shu

高效光解水光电极设计的研究进展

  • 基金项目:

    澳大利亚研究理事会发现(DP)和未来奖学金(FF)计划

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.

English

    1. [1] B. Kumar, M. Llorente, J. Froehlich, T. Dang, A. Sathrum, C. P. Kubiak, Annu. Rev. Rhys. Chem., 2012, 63, 541-569.

    2. [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. [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. [4] M. Gratzel, Nature, 2001, 414, 338.

    5. [5] A. Fujishima, K. Honda, Nature, 1972, 238, 37-38.

    6. [6] R. Shinar, J. H. Kennedy, Sol. Energy Mater., 1982, 6, 323-335.

    7. [7] C. Zhen, L. Wang, G. Liu, G. Q. M. Lu, H. M. Cheng, Chem. Comm. 2013, 49, 3019-3021.

    8. [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. [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. [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. [11] Z. Yu, F. Li, L. C. Sun, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 760-775.

    12. [12] A. J. Bard, M. A. Fox, Acc. Chem. Res., 1995, 28, 141-145.

    13. [13] K. Sivula, Chimia, 2013, 67, 155-161.

    14. [14] Z. Zhang, J. T. Yates Jr, Chem. Rev., 2012, 112, 5520-5551.

    15. [15] R. H. Wilson, Crit. Rev. Solid State and Mater. Sci., 1980, 10, 1-41.

    16. [16] H. Gerischer, Electrochi. Acta, 1990, 35, 1677-1699.

    17. [17] H. Gerischer, in:Photovoltaic and photoelectrochemical solar energy conversion, Springer, 1981, 199-261.

    18. [18] S. Soedergren, A. Hagfeldt, J. Olsson, S. E. Lindquist, J. Phys. Chem., 1994, 98, 5552-5556.

    19. [19] H. Dotan, K. Sivula, M. Grätzel, A. Rothschild, S. C. Warren, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 958-964.

    20. [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. [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. [22] S. Hoang, S. P. Berglund, N. T. Hahn, A. J. Bard, C. B. Mullins, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 3659-3662.

    23. [23] S. Hoang, S. W. Guo, N. T. Hahn, A. J. Bard, C. B. Mullins, Nano Lett., 2011, 12, 26-32.

    24. [24] S. J. Zhuo, M. W. Shao, S. T. Lee, ACS Nano, 2012, 6, 1059-1064.

    25. [25] C. X. Guo, Y. Q. Dong, H. B. Yang, C. M. Li, Adv. Energy Mater., 2013, 3, 997-1003.

    26. [26] X. Zhang, H. Huang, J. Liu, Y. Liu, Z. H. Kang, J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 11529-11533.

    27. [27] P. Peerakiatkhajohn, J. H. Yun, H. Chen, M. Lyu, T. Butburee, L. Wang, Adv. Mater., 2016, 28, 6405-6410.

    28. [28] H. J. Chen, Q. Wang, M. Q. Lyu, Z. Zhang, L. Z. Wang, Chem. Comm., 2015, 51, 12072-12075.

    29. [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. [30] P. Zhang, L. Gao, X. F. Song, J. Sun, Adv. Mater., 2015, 27, 562-568.

    31. [31] K. Sivula, F. Le Formal, M. Grätzel, ChemSusChem, 2011, 4, 432-449.

    32. [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. [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. [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. [35] F. Le Formal, S. R. Pendlebury, M. Cornuz, S. D. Tilley, M. Grätzel, J. R. Durrant, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 2564-2574.

    36. [36] R. Liu, Z. Zheng, J. Spurgeon, X. G. Yang, Energy Environ. Sci., 2014, 7, 2504-2517.

    37. [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. [38] F. Le Formal, N. Tétreault, M. Cornuz, T. Moehl, M. Grätzel, K. Sivula, Chem. Sci., 2011, 2, 737-743.

    39. [39] T. Hisatomi, F. Le Formal, M. Cornuz, J. Brillet, N. Tétreault, K. Sivula, M. Grätzel, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 2512-2515.

    40. [40] C. Zachäus, F. F. Abdi, L. M. Peter, R. van de Krol, Chem. Sci., 2017, 8, 3712-3719.

    41. [41] B. Klahr, T. Hamann, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 10393-10399.

    42. [42] O. Zandi, T. W. Hamann, Nat. Chem., 2016, 8, 778-783.

    43. [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. [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. [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. [46] F. Jiang, Gunawan, T. Harada, Y. Kuang, T. Minegishi, K. Domen, S. Ikeda, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 13691-13697.

    47. [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. [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. [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. [50] T. Minegishi, N. Nishimura, J. Kubota, K. Domen, Chem. Sci., 2013, 4, 1120-1124.

    51. [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. [52] J. Y. Cao, T. Kako, N. Kikugawa, J. H. Ye, J. Phy. D, 2010, 43, 325101.

    53. [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. [54] R. Abe, T. Takata, H. Sugihara, K. Domen, Chem. Lett., 2005, 34, 1162-1163.

    55. [55] R. Abe, M. Higashi, K. Domen, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 11828-11829.

    56. [56] N. T. Hahn, C. B. Mullins, Chem. Mater., 2010, 22, 6474-6482.

    57. [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. [58] F. F. Abdi, L. Han, A. H. M. Smets, M. Zeman, B. Dam, R. Van De Krol, Nat. Commun., 2013, 4, 2195.

    59. [59] S. C. Wang, P. Chen, J. H. Yun, Y. X. Hu, L. Z. Wang, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 8500-8504.

    60. [60] J. M. Spurgeon, J. M. Velazquez, M. T. McDowell, Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16, 3623-3631.

    61. [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. [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. [63] T. W. Kim, K. S. Choi, Science, 2014, 343, 990-994.

    64. [64] Y. Huang, Y. Yu, Y. Xin, N. Meng, Y. Yu, B. Zhang, Sci. China Mater., 2017, 60, 193-207.

    65. [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. [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. [67] A. Paracchino, N. Mathews, T. Hisatomi, M. Stefik, S. D. Tilley, M. Grätzel, Energy Environ. Sci., 2012, 5, 8673-8681.

    68. [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. [69] F. D. Lin, S. W. Boettcher, Nat. Mater., 2014, 13, 81-86.

    70. [70] L. Trotochaud, T. J. Mills, S. W. Boettcher, J. Phys. Chem. Lett., 2013, 4, 931-935.

    71. [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. [72] S. Chen, L. W. Wang, Chem. Mater., 2012, 24, 3659-3666.

    73. [73] A. Paracchino, V. Laporte, K. Sivula, M. Grätzel, E. Thimsen, Nat. Mater., 2011, 10, 456.

    74. [74] Z. M. Xia, X. M. Zhou, J. Li, Y. Q. Qu, Sci. Bull., 2015, 60, 1395-1402.

    75. [75] M. J. Kenney, M. Gong, Y. Li, J. Z. Wu, J. Feng, M. Lanza, H. Dai, Science, 2013, 342, 836-840.

    76. [76] C. M. Ding, J. Y. Shi, Z. L. Wang, C. Li, ACS Catal., 2016, 7, 675-688.

    77. [77] P. Peerakiatkhajohn, J. H. Yun, S. Wang, L. Wang, J. Photon. Energy, 2016, 7, 012006.

    78. [78] S. Chu, W. Li, Y. F. Yan, T. Hamann, I. Shih, D. W. Wang, Z. T. Mi, Nano Futures, 2017, 1, 022001.

    79. [79] R. G. Li, Chin. J. Catal., 2017, 38, 5-12.

    80. [80] S. A. Bonke, M. Wiechen, D. R. MacFarlane, L. Spiccia, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 2791-2796.

    81. [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. [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.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  6
  • 文章访问数:  1204
  • HTML全文浏览量:  60
文章相关
  • 收稿日期:  2017-09-30
  • 修回日期:  2017-12-13
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章