UNIST 开发高效率、高耐久性人工光合作用电极
仿照植物光合作用原理将电荷损失降至最低……创下世界最高水平效率记录
国内研究团队仿照植物叶片内部的光合作用原理，开发出一种仅依靠太阳光就能生产高附加值化学品过氧化氢的人工光合作用电极。评价认为，该团队通过实现电荷“阶梯式”迁移结构，同时解决了既有技术长期存在的能量损失大和耐久性差两大顽疾。
染料敏化光电化学电极（DSPEC）的电荷传输结构对比及工作原理。a）为染料直接与电解质接触的传统结构，电子损失较大。b）为添加保护层的结构，但在电荷迁移过程中仍可能发生损失。相反，c）为研究团队开发的埋入式结构，在中间加入镍箔，将电荷传输路径分级分离，从而降低能量损失。d）为实际工作示意图，表示在接受太阳光的电极上水被分解产生氧气，而在另一侧电极上生成氢气或过氧化氢的过程。UNIST 供图
View original image蔚山科学技术院（UNIST）称，化学系教授 Kwon Taehyeok 与能源化学工程系教授 Jang Jiuk 研究团队开发出了可降低电荷传递损失并提升耐久性的染料敏化人工光合作用电极，并于7日对外公布。
人工光合作用电极是利用阳光从水中制取氢气或过氧化氢等燃料与化学品的核心部件。本次技术的特点在于，既采用了类似植物叶绿素、能够吸收光的有机染料，又不使用铅等有害物质，构建了环保型系统。
研究团队设计了一种将染料层和“氧化还原介体”埋入镍箔内部的新结构。在这一结构中，受光染料中产生的电荷依次沿着“染料→氧化还原介体→镍箔→催化剂”的路径逐级迁移。
电荷就像一级一级下台阶那样依次移动，从而将能量损失和逆向反应降至最低。这一原理是仿照植物叶片中电荷依次经过多种电子传递蛋白、实现稳定迁移的光合作用机制而构建的。
“降低电荷损失”……创下世界最高水平效率
传统染料敏化光电极中，染料与液体电解质直接接触，易被分解，且电荷在中途消失的问题突出。研究团队通过镍箔结构切断了染料与电解质的直接接触，大幅提升了电极的耐久性。
该电极在水分解反应中实现了98%的法拉第效率。这意味着由染料产生的100个电荷中，约有98个真正参与了化学反应。
研究团队合影。（自左起）Kwon Taehyeok 教授、Jang Jiuk 教授、Park Junhyuk 研究员、Kim Gyeongrim 研究员、Lee Jinyoung 研究员。UNIST 供图
View original image尤其是在将其应用于过氧化氢生产系统时，仅依靠太阳光、无需外加电压，就实现了4.15%的太阳能—燃料转换效率（STF）。据研究团队介绍，这一数值达到世界最高水平。同时还确认，该电极在150小时以上的连续运行中性能无明显衰减，工作稳定。
过氧化氢是广泛应用于半导体、医疗、杀菌以及环保化工工艺中的高附加值化学品。研究团队指出，尤其是考虑到过氧化氢的经济价值约为氢气的20倍，其产业化应用前景十分广阔。
UNIST 博士 Park Junhyeok 表示：“这是将植物几乎不丢失电荷的传递方式，应用到人工器件设计中的一项技术。”
教授 Kwon Taehyeok 称：“这是通过界面设计，同时弥补染料敏化系统在效率和寿命方面问题的一个案例”，“为构建无有害物质、却能生产高附加值化学原料的环保系统奠定了技术基础。”
该研究成果已于今年4月13日发表在材料领域国际学术期刊《Advanced Functional Materials》上。
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