太陽(yáng)能是取之不盡用之不竭的綠色能源。按太陽(yáng)光的能量密度計(jì)算，只要陽(yáng)光照射地面1小時(shí)，就可以滿足地球上1年所需的能量消耗。因此，面對(duì)當(dāng)前的全球能源危機(jī)，吸收、儲(chǔ)存、利用太陽(yáng)能無(wú)疑是一條最有希望的途徑。

圖1. 董紹俊院士(TWAS)課題組設(shè)計(jì)的基于H2O/H2O2/O2自循環(huán)的生物雜化光電化學(xué)池。

對(duì)于太陽(yáng)能的利用，大自然早為我們做出了巧妙而有效的提示，即自然界的光合作用。例如，通過(guò)模擬光合作用，太陽(yáng)能可以被固定在高能量密度燃料分子的化學(xué)鍵中，隨后在燃料電池中二次利用產(chǎn)生電能，從而供應(yīng)人類日常的生產(chǎn)和生活使用 (圖1)。盡管這一設(shè)想十分美好，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，光合成太陽(yáng)能燃料及其二次利用卻困難重重。一方面，這種分步式的“太陽(yáng)能—燃料” (圖2a) 和“燃料—電能” (圖2b) 的轉(zhuǎn)換步驟十分繁瑣，其伴隨的燃料提純、運(yùn)輸過(guò)程導(dǎo)致巨大的能量損失；另一方面，這一過(guò)程需要一系列昂貴而復(fù)雜的儀器設(shè)備配合才能實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，發(fā)展一種簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)綠色、方便的“太陽(yáng)能—燃料—電能”轉(zhuǎn)換十分重要。

圖2. 分步式的“太陽(yáng)能—燃料”(a)和“燃料—電能”(b)轉(zhuǎn)換的示意圖。

近日，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所董紹俊院士(TWAS)課題組提出了一種基于H2O/H2O2/O2自循環(huán)的生物雜化光電化學(xué)池 (Bio-hybrid photoelectrochemical cell, BPEC)，通過(guò)在單室內(nèi)協(xié)同耦合光電化學(xué)H2O2生成和生物電化學(xué)H2O2消耗，實(shí)現(xiàn)了直接和可持續(xù)的“太陽(yáng)能—燃料—電能”轉(zhuǎn)化(圖3)。

此外，在BPEC運(yùn)行過(guò)程中，H2O2的生成和消耗促使H2O、H2O2、O2分子在BPEC內(nèi)部形成動(dòng)態(tài)自循環(huán)，無(wú)需外加燃料或犧牲試劑，從而使該BPEC本質(zhì)上清潔、簡(jiǎn)單、安全且經(jīng)濟(jì)高效。在1個(gè)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度下，該BPEC能夠提供0.18 mW cm–2的功率輸出，且在海水電解質(zhì)中表現(xiàn)出同樣優(yōu)越的性能。

圖3. 基于H2O/H2O2/O2自循環(huán)的BPEC實(shí)現(xiàn)“太陽(yáng)能—燃料—電能”轉(zhuǎn)換。 如圖3所示，在光激發(fā)下，Mo:BiVO4光陽(yáng)極上發(fā)生雙電子H2O氧化，生成H2O2；H2O2隨后被轉(zhuǎn)移至生物陰極，并在生物陰極表面被還原為H2O。由此，BPEC中H2O/H2O2的循環(huán)被建立。

此外，為了應(yīng)對(duì)光陽(yáng)極表面H2O2生成的法拉第效率不足100%的情況（即光陽(yáng)極表面存在不可避免的O2析出），在生物陰極上，Co/CNTs既作為高導(dǎo)電性的多孔基底，又作為O2還原的功能性催化劑，催化O2還原生成H2O2(n = 2.6)，從而明確定義了該BPEC中高效的H2O/H2O2/O2自循環(huán)。

該BPEC不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，而且無(wú)需犧牲任何化學(xué)成分即可將太陽(yáng)能直接和可持續(xù)地轉(zhuǎn)化為電能。該工作代表了一種可控的太陽(yáng)能利用新方法，并且可以進(jìn)一步為簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展和經(jīng)濟(jì)高效的“太陽(yáng)能—電能”轉(zhuǎn)換提供實(shí)用的研究模型。







審核編輯：劉清