近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室及潔凈能源國家實驗室李燦院士領(lǐng)導的太陽能研究團隊在“太陽能光電催化分解水制氫”研究方面取得新進展。在以Ta3N5為基礎(chǔ)的半導體光陽極研究中，發(fā)現(xiàn)“空穴儲存層”電容效應，藉此設(shè)計并獲得了高效穩(wěn)定的太陽能光電化學分解水體系，相關(guān)研究成果以通訊形式在線發(fā)表在近期的《德國應用化學》雜志上（Guiji Liu, Jingying Shi, Can Li, et al., Angew. Chem. Int. Ed., DOI:10.1002/anie.201404697）。 

光電催化分解水制氫是利用太陽能制備燃料的理想途徑之一，近半個世紀以來，各國科學家們不懈努力，致力于發(fā)展高效、穩(wěn)定的太陽能光電催化分解水體系。李燦研究團隊在部署太陽能光催化分解水研究的同時，啟動太陽能光電催化分解水的研究，近年來在光電催化的關(guān)鍵部分光陽極體系的設(shè)計和制備方面不斷取得進展：利用助催化劑修飾的BiVO4作為光陽極，在最小偏壓下實現(xiàn)了可見光驅(qū)動的全分解水反應（Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15, 4589-4595），最近將BiVO4光陽極與硅疊層光陰極耦合，太陽能制氫效率達到2.5%的目前該體系最好結(jié)果。

為了提高太陽能制氫效率，需要發(fā)展寬光譜捕光的窄帶隙半導體光陽極，其中具有代表性的窄帶隙半導體Ta3N5材料，其太陽能制氫理論效率可達15% 以上，是目前國際太陽能光電催化制氫領(lǐng)域的主攻體系之一。但該體系易受光腐蝕，解決其穩(wěn)定性是該領(lǐng)域的挑戰(zhàn)課題。在這項工作中，在光陽極表面組裝ferrihydrite (Fh) 層，在保持光電催化水氧化高效率前提下，發(fā)現(xiàn)其穩(wěn)定性可由幾分鐘提高到數(shù)小時，甚至工作十余小時后也未見明顯衰退，這是目前世界上報道的最高穩(wěn)定性的Ta3N5分解水光陽極體系。研究發(fā)現(xiàn)Ta3N5表面ferrihydrite (Fh) 層具有電容的空穴儲存能力，它可將Ta3N5中光激發(fā)形成的光生空穴快速轉(zhuǎn)移、高效儲存，使半導體免于光腐蝕氧化，從而數(shù)量級提高了光陽極的穩(wěn)定性。在國際上提出了光電催化“空穴儲存層”的概念，這為進一步設(shè)計構(gòu)筑高效穩(wěn)定的太陽能轉(zhuǎn)化體系提供了新的思路和策略。

該研究工作得到了國家自然科學基金重大項目和科技部“973”項目的資助。