光作為能量輸入，在化學(xué)反應(yīng)發(fā)生中發(fā)揮著重要作用。光電化學(xué)（PEC）水氧化是人工光合作用的重要方法之一，但將這種方法發(fā)展成實(shí)用技術(shù)仍然是一個重大挑戰(zhàn)。這是由于該過程涉及多個復(fù)雜步驟，至少需要四個光生空穴并釋放四個質(zhì)子，其機(jī)理研究仍是挑戰(zhàn)性難題。近日，波士頓學(xué)院的王敦偉教授和Matthias Waegele教授團(tuán)隊(duì)基于銥雙原子催化劑，研究了催化劑活性位密度和表面空穴濃度如何共同影響反應(yīng)動力學(xué)，并揭示了催化活性位密度在水氧化電荷積累中的重要作用。
通常來說，光電化學(xué)系統(tǒng)包括光吸收劑和催化劑，光吸收劑利用光子能量產(chǎn)生空穴，催化劑利用光生空穴氧化水。然而，表面空穴和催化位點(diǎn)如何共同影響水氧化動力學(xué)尚不明確，極大地阻礙了實(shí)際的太陽能水分解裝置的設(shè)計(jì)。這主要是因?yàn)樵谝褕?bào)道的催化劑中，如何調(diào)控催化活性位點(diǎn)密度并保持活性位結(jié)構(gòu)明確是一個尚未解決的問題。王敦偉教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的銥雙原子催化劑化劑體系，具有活性原子位點(diǎn)分散，活性位結(jié)構(gòu)明確等特點(diǎn)，其表面催化位點(diǎn)密度可以通過控制合成條件來調(diào)控。表面空穴濃度可以通過調(diào)節(jié)入射光子強(qiáng)度和施加的電位來控制?；诖?，本文研究了表面空穴和催化位點(diǎn)在光電化學(xué)水氧化系統(tǒng)中的相互作用。 研究結(jié)果表明，在低光子通量條件下，表面空穴濃度較低，與高催化位點(diǎn)密度電極相比，具有低催化位點(diǎn)密度的光電極有更快的電荷轉(zhuǎn)移；在高光子通量條件下，表面空穴濃度適中或高，低催化位點(diǎn)密度的光電極具有更慢的表面電荷復(fù)合。這種結(jié)果歸因于多電荷反應(yīng)需要多個空穴積累來完成，當(dāng)空穴濃度不足以支持所有催化位點(diǎn)的快速周轉(zhuǎn)時，催化位點(diǎn)之間彼此競爭，并展示出對催化循環(huán)完成無益的協(xié)同行為。 鑒于太陽光照強(qiáng)度的晝夜變化和天氣條件，低光子通量是一個實(shí)際的人工光合作用系統(tǒng)經(jīng)常面臨的情況。在此背景下，本研究的理解很可能具有重大意義。在實(shí)際的太陽能水分解裝置中，優(yōu)化催化劑負(fù)載量以匹配表面空穴濃度，對于實(shí)現(xiàn)其最佳性能是重要的。本文也為使用貴金屬元素在能源應(yīng)用方面提供了新的前景。 論文信息 Low Catalyst Loading Enhances Charge Accumulation for Photoelectrochemical Water Splitting Tianying Liu, Dr. Wei Li, David Z. Wang, Tongtong Luo, Muchun Fei, Dongyoon Shin, Prof. Matthias M. Waegele, Prof. Dunwei Wang 文章的第一作者是波士頓學(xué)院的博士研究生劉添瀅。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202307909
