人工光合成与能源催化实验室

人工光合成与能源催化团队

中科院宁波材料所人工光合成与能源催化课题组由况永波研究员担任团队负责人。通过人工光合成作用制备绿色可再生能源对于建设可持续发展社会，解决能源短缺与环境污染等人类重大挑战具有十分重要的意义。为了提高太阳能燃料的制备与转化利用效率，需要发展相对应的高效能源催化技术。团队围绕这两个大方向，以人工光合成技术的实用化为目标，开展基础应用研究 。

一、主要研究领域

人工光合成：光电解水制氢；光电二氧化碳还原；新型人工光合成反应；绿色光电催化高值化合物合成等 

能源催化：光能-化学能和化学能-电能转化过程中的催化反应设计、（助）催化剂制备、催化反应机理研究等

二、主要研究进展

重点布局一代光阳极钒酸铋材料的优化升级、二代光阳极二价锡氧化物材料的设计合成，成功实现了一代钒酸铋光阳极材料在性能和耐久性的进一步突破，解决了开发系列带隙宽、起始电位优良的非贵金属材料和超大面积（~1m²）的超薄、高均匀性光电极制备的难题，明确了材料的形成原理及其对氧化性能提升的复合增强机理，创新提出催化剂原位自生成和自修复全新概念，开发了超声雾化热分解制备超薄、高均匀预制膜技术方法，突破了超大面积光电极制备技术瓶颈，并基于相关研究成果全新开发了部件结构简单、制备工艺简化的太阳能直接分解水制氢器件，进一步为后续设备产业化应用提供提供理论指导和方法基础。一是一代单电极性能取得突破。通过超声雾化热解法制备、表面工程进一步修饰，进一步提升一代钒酸铋光阳极性能，光电流密度达到6.8mA/cm²（在1.23V vs. RHE偏压下），是目前报道的最高水平之一。当前已攻克单电极单周期循环120小时光电流密度无衰减、长周期寿命1100小时。二是开发系列二代光阳极材料。开发带隙1.5~2.4eV系列二代二价锡氧化物光阳极材料，克服了多数一代光阳极材料的带隙宽、价带位置高的缺点。目前已开发如铌酸亚锡(SnNb₂O₆)、钨酸锡(SnWO₄)、钛酸锡(Sn₂TiO₄)等7种亚锡基氧化物材料。其中高温还原法制备了高结晶性和氧缺陷可调性的SnNb₂O₆，具备高载流子浓度和有效传输效率特性，光电流密度达到2.5mA/cm²（在0.6V vs.RHE偏压下）、是当前文献报道的5倍，同时单光电极可保持无衰减突破110小时。三是刷新超大面积复合光阳极记录。利用超声喷雾热解法的低成本、可扩展特性制备单片面积625cm²、单电极面积1m²的镍基助催化剂/钒酸铋复合光阳极，攻克了当前当前电沉积、印刷等方法制备大面积光阳极膜厚、均匀性差、尺寸上限低的难题，刷新了目前大面积纳米高性能钒酸铋光电极制备的世界纪录。四是无偏压全水分解器件组装示范。在基于高均匀、可扩展、低能耗的工艺基础上，制备了多种光阳极、光阴极器件串联的无偏压全水分解器件。尤其是以钒酸铋（BiVO₄）光阳极和铋酸铜（CuBi2O₄）光阴极串联组装器件为代表，器件中光阳极和光阴极可吸收不同波长可见光。且均可超声雾化热解法制备相同的含Bi预制膜，进一步降低了器件制备工艺复杂性及材料使用成本。

超声雾化全喷涂制备全封装人工树叶示意图

新型Sn(II)基二代光电催化材料体系

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