Sustainable hydrogen production from water using tandem dye-sensitized photoelectrochemical cells  

利用串聯染料敏化光電化學電池從水中可持續制氫  

來源：Nano Convergence (2021) 8:7

《納米融合》（2021年）第8卷第7期

 

摘要內容：  

該綜述探討了串聯染料敏化光電化學電池（DSPEC）的設計與關鍵材料進展，重點關注利用染料敏化界面實現光驅動水分解制氫的系統。核心內容包括：  

1. 背景與挑戰：氫能作為零碳燃料需通過可再生能源（如太陽能）分解水制取，但傳統半導體基串聯電池成本高昂。染料敏化電極因材料成本低、吸光特性可調成為替代方案。  

2. 串聯電池優勢：理論分析表明，雙結串聯DSPEC的太陽能-氫能（STH）轉換效率上限（27%）顯著高于單結系統（17%），因可分級利用太陽光譜（圖1）。  

 

3. 關鍵組件：  

   ? 半導體載體：TiO?（光陽極）、NiO（光陰極）及SnO?@TiO?核殼結構可抑制電荷復合（圖2）。  

 

   ? 發色團：釕基（如Rubpy，圖4）和有機染料（如三聯苯胺-DCV，圖5）用于調控吸光范圍與能級匹配。  

 

 

   ? 催化劑：Ru(bda)型分子催化劑驅動水氧化（TOF >300 s?1），鈷/鎳基催化劑用于產氫（圖3）。  

 

4. 系統架構：報道的串聯DSPEC包括：  

   ? n/p型：TiO?光陽極與NiO光陰極耦合（表1，Fan et al.與Li et al.）。  

 

   ? DSPEC-DSSC型：染料敏化光陽極串聯染料敏化太陽能電池（如Sherman et al.與Wang et al.），最高STH達1.5%（表1）。  

 

5. 性能瓶頸：當前STH效率（≤1.5%）仍低于半導體體系（30%），主因包括電荷復合、催化劑穩定性及界面優化不足。  

 

研究目的：  

1. 闡明串聯DSPEC的設計原理，實現低成本、高效率的太陽能驅動水分解制氫。  

2. 總結關鍵材料（半導體、染料、催化劑）的進展與性能優化策略。  

3. 分析已報道串聯系統的STH效率瓶頸，指明未來研究方向。  

 

研究思路：  

1. 理論框架：基于光物理與電化學原理，對比單結/串聯系統的STH效率極限（圖1）。  

2. 材料優化：  

   ? 半導體界面工程（如SnO?@TiO?核殼抑制電子回傳）。  

 

   ? 染料設計拓展吸光范圍（如有機染料吸收紅光）。  

 

   ? 分子催化劑提升水氧化/產氫動力學。  

 

3. 系統集成：  

   ? n/p型電極直接耦合（需解決NiO空穴遷移率低的問題）。  

 

   ? DSPEC-DSSC串聯（光陽極與光伏電池堆疊，分級吸光）。  

 

4. 性能驗證：通過光電流密度、STH效率及產物（H?/O?）定量評估系統性能。  

 

測量數據及其研究意義：  

1. 光電流密度（圖1，表1）  

   ? 數據：n/p-DSPEC體系達70 μA cm?2（Li et al.），DSPEC-DSSC體系達1.24 mA cm?2（Wang et al.）。  

 

   ? 意義：反映界面電荷分離效率，直接決定H?生成速率。  

 

2. STH效率（表1）  

   ? 數據：早期n/p-DSPEC為0.05%（Li et al.），優化DSPEC-DSSC達1.5%（Wang et al.）。  

 

   ? 意義：衡量太陽能到氫能的整體轉換效率，為商業化潛力提供關鍵指標。  

 

3. 法拉第效率（Unisense電極數據）  

   ? 數據：O?法拉第效率45–79%（Sherman et al.），H?接近100%（Sheridan et al.）。  

 

   ? 意義：驗證光電流用于目標反應（水分解）的選擇性，排除副反應干擾。  

 

結論：  

1. 材料進步：SnO?@TiO?核殼結構（圖2）與Ru(bda)催化劑顯著提升光陽極性能；有機染料拓展紅光吸收。  

2. 系統突破：DSPEC-DSSC架構（如Wang et al.）通過分級吸光實現STH 1.5%，為當前最高記錄。  

3. 核心挑戰：電荷復合、催化劑穩定性（尤其NiO光陰極）及界面工程仍需優化。  

4. 未來方向：開發寬光譜吸收染料、高效非貴金屬催化劑及穩定界面封裝技術。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：  

Unisense電化學微傳感器用于原位監測O?/H?生成，其意義包括：  

1. 高選擇性檢測：  

   ? O?傳感器基于Clark電極原理，選擇性響應溶解氧濃度（避免氣相色譜的取樣誤差）。  

 

   ? 應用于密閉反應體系（如Sherman et al.），實時量化光陽極的O?產率。  

 

2. 法拉第效率驗證：  

   ? 結合電荷總量計算，確定光電流用于水氧化的比例（如測得ηO?=45–79%），排除染料降解等副反應影響。  

 

3. 反應機理研究：  

   ? 實時監測O?生成動力學（如Sheridan et al.），揭示催化劑活性與系統穩定性關聯。  

 

4. 技術優勢：  

   ? 空間分辨率高（微米級探頭），可定位電極局部反應活性。  

 

   ? 相比破壞性取樣（GC-TCD），實現非侵入式連續監測，提升數據可靠性。