人工光合成(chéng)與能(néng)源催化實驗室

人工光合成(chéng)與能(néng)源催化團隊

中科院甯波材料所人工光合成(chéng)與能(néng)源催化課題組由況永波研究員擔任團隊負責人。通過(guò)人工光合成(chéng)作用制備綠色可再生能(néng)源對(duì)于建設可持續發(fā)展社會，解決能(néng)源短缺與環境污染等人類重大挑戰具有十分重要的意義。爲了提高太陽能(néng)燃料的制備與轉化利用效率，需要發(fā)展相對(duì)應的高效能(néng)源催化技術。團隊圍繞這(zhè)兩(liǎng)個大方向(xiàng)，以人工光合成(chéng)技術的實用化爲目标，開(kāi)展基礎應用研究 。

一、主要研究領域

人工光合成(chéng)：光電解水制氫；光電二氧化碳還(hái)原；新型人工光合成(chéng)反應；綠色光電催化高值化合物合成(chéng)等 

能(néng)源催化：光能(néng)-化學(xué)能(néng)和化學(xué)能(néng)-電能(néng)轉化過(guò)程中的催化反應設計、（助）催化劑制備、催化反應機理研究等

二、主要研究進(jìn)展

重點布局一代光陽極釩酸铋材料的優化升級、二代光陽極二價錫氧化物材料的設計合成(chéng)，成(chéng)功實現了一代釩酸铋光陽極材料在性能(néng)和耐久性的進(jìn)一步突破，解決了開(kāi)發(fā)系列帶隙寬、起(qǐ)始電位優良的非貴金屬材料和超大面(miàn)積（~1m²）的超薄、高均勻性光電極制備的難題，明确了材料的形成(chéng)原理及其對(duì)氧化性能(néng)提升的複合增強機理，創新提出催化劑原位自生成(chéng)和自修複全新概念，開(kāi)發(fā)了超聲霧化熱分解制備超薄、高均勻預制膜技術方法，突破了超大面(miàn)積光電極制備技術瓶頸，并基于相關研究成(chéng)果全新開(kāi)發(fā)了部件結構簡單、制備工藝簡化的太陽能(néng)直接分解水制氫器件，進(jìn)一步爲後(hòu)續設備産業化應用提供提供理論指導和方法基礎。一是一代單電極性能(néng)取得突破。通過(guò)超聲霧化熱解法制備、表面(miàn)工程進(jìn)一步修飾，進(jìn)一步提升一代釩酸铋光陽極性能(néng)，光電流密度達到6.8mA/cm²（在1.23V vs. RHE偏壓下），是目前報道(dào)的最高水平之一。當前已攻克單電極單周期循環120小時光電流密度無衰減、長(cháng)周期壽命1100小時。二是開(kāi)發(fā)系列二代光陽極材料。開(kāi)發(fā)帶隙1.5~2.4eV系列二代二價錫氧化物光陽極材料，克服了多數一代光陽極材料的帶隙寬、價帶位置高的缺點。目前已開(kāi)發(fā)如铌酸亞錫(SnNb₂O₆)、鎢酸錫(SnWO₄)、钛酸錫(Sn₂TiO₄)等7種(zhǒng)亞錫基氧化物材料。其中高溫還(hái)原法制備了高結晶性和氧缺陷可調性的SnNb₂O₆，具備高載流子濃度和有效傳輸效率特性，光電流密度達到2.5mA/cm²（在0.6V vs.RHE偏壓下）、是當前文獻報道(dào)的5倍，同時單光電極可保持無衰減突破110小時。三是刷新超大面(miàn)積複合光陽極記錄。利用超聲噴霧熱解法的低成(chéng)本、可擴展特性制備單片面(miàn)積625cm²、單電極面(miàn)積1m²的鎳基助催化劑/釩酸铋複合光陽極，攻克了當前當前電沉積、印刷等方法制備大面(miàn)積光陽極膜厚、均勻性差、尺寸上限低的難題，刷新了目前大面(miàn)積納米高性能(néng)釩酸铋光電極制備的世界紀錄。四是無偏壓全水分解器件組裝示範。在基于高均勻、可擴展、低能(néng)耗的工藝基礎上，制備了多種(zhǒng)光陽極、光陰極器件串聯的無偏壓全水分解器件。尤其是以釩酸铋（BiVO₄）光陽極和铋酸銅（CuBi2O₄）光陰極串聯組裝器件爲代表，器件中光陽極和光陰極可吸收不同波長(cháng)可見光。且均可超聲霧化熱解法制備相同的含Bi預制膜，進(jìn)一步降低了器件制備工藝複雜性及材料使用成(chéng)本。

超聲霧化全噴塗制備全封裝人工樹葉示意圖

新型Sn(II)基二代光電催化材料體系

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