Yonsei大学教授 Moon Juho 团队
揭示手性转变机制
成功开发金属氧化物光电极
韩国研究团队开发出一项技术，有望大幅提升利用太阳能生产绿色氢气的效率。
韩国研究财团14日表示，Moon Juho 延世大学教授研究团队阐明了手性氧化物的沉积机理，并据此开发出性能得到提升的金属氧化物基手性光电极。
利用取之不尽的自然能源——太阳光和水来制氢的太阳能光解水系统，正作为环保未来技术受到关注。所谓手性（Chirality），是指不对称性，用来描述与其镜像无法完全重合的分子结构。
基于光电极的太阳能光解水系统材料成本低、系统结构简单，从理论上看，其经济性和效率都高于传统的“太阳能电池+电解”系统。但由于仅将电极内的电子视作简单的电荷载流子，在实际性能提升方面存在局限。虽然曾有从量子力学视角提出在光电极中引入手性物质的改进方案，但不仅运行稳定性较低，而且研究对象仅限于具有催化反应活性的有机物，难以突破既有限制。
图1 (a) 中 (上) 与手性 L-(+)-酒石酸形成的二聚体含有一个金属离子并呈单一方向的结构，(下) 与非手性 meso-酒石酸形成的二聚体则与金属离子完全形成螯合配位，具有多方向的结构。通过有机分子手性导致的分子结构差异，可以赋予最终沉积的金属氧化物以手性。
* 螯合物：一个配体在两个或两个以上配位位点与金属离子形成配位键而生成的配合离子
- 图2 (b) 中，在光电极中产生的光电荷通过由手性金属氧化物构成的自旋控制层时，经由 CISS 产生自旋排列。由此抑制单线态氧和过氧化氢的生成，有利于在较低过电位下生成三线态氧。图片由 Moon Juho 延世大学教授提供。
研究团队为将金属氧化物基手性物质应用于光电极，首先阐明了金属氧化物合成过程中的手性转移机理，并以此为基础开发出新型光电极。与有机物相比，金属氧化物基手性材料具有更高的化学稳定性和优异的电化学特性，并可与光电极形成异质结，从而提高电荷分离效率。
基于这一原理，研究团队合成出兼具长期运行稳定性和高催化反应活性的金属氧化物基手性材料，并开发出手性金属光电极。通过赋予金属氧化物手性并控制电子自旋，抑制了在电解质–催化剂界面发生的复合，提高了光电流密度，从而抑制了影响性能的副产物生成，并提升了产氧效率。
实验结果显示，新型手性金属光电极的光电流密度和氧气（O₂）生成效率分别提高约23%和20%。在连续运行80小时的条件下，手性电极的效率为85.1%，高于非手性电极的73.2%。
Moon 教授表示：“对沉积溶液中手性转移的理解可应用于多种基底和材料，不仅可用于光电极，还有望拓展至催化剂、二次电池、显示器等更广泛的应用领域。今后将致力于开发在工业化规模上可行、具有更强手性效应和更高催化活性的材料。”
本次研究成果已于今年1月25日发表在环境领域国际学术期刊《Energy & Environmental Science》上。
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