【最新科研】有机p-n结光电极实现86%内量子效率光电催化合成氨

张明 2024-09-25

在光电催化领域，开发高性能光电极器件是实现高效太阳能燃料合成的关键挑战之一。主要难点在于如何设计一种光电极结构，既能高效地将吸收的光子转化为电子，同时能够选择性地进行催化反应。

因此，课题组研发了一种基于有机p-n结的分子光电极，用于高效光电催化硝酸盐还原产氨。在该p-n结电极中，光生电子和空穴分别在n型PDI和p型PEDOT之间发生分离，随后PDI上的高通量光生电子迅速转移至邻近的催化剂上，实现产氨的高量子效率。

浙江大学单冰课题组设计了一种基于有机p-n结(OPN)网络的新型分子光电极OPN-CuCo，用于光电催化硝酸盐还原产氨。该光电极在太阳光照射下产生高通量电荷分离态，电子和空穴分别分离于n型苝二酰亚胺(PDI)和p型聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)组份。随后，该光生电荷快速转移到催化剂上，实现高效光电催化NO₃^-还原产NH₃，外量子效率(EQE)和内量子效率(IQE)分别高达 57%和86%。通过时间分辨光谱表征，证实了该IQE源自于有机p-n结内高通量的光生电荷促进了催化剂的高效活化。在串联光电池体系中，该光阴极可在无偏压条件下实现高达57 mA cm^-2的光电流密度和52% 的EQE，展示了该有机p-n结光电极在太阳能转化器件中的应用潜力。

图1 有机p-n结光电极（OPN）的结构

在传统的光电催化体系中，光电极通常是单结半导体，很难实现光生电子-空穴对的有效分离，从而极大地限制了光电催化效率。在本工作中，OPN光电极是通过在共价网络中组装有机p型半导体PEDOT和n型半导体PDI构建而成。在光照下，体系能够实现高效的光生电荷分离，分别通过PDI(e-)和PEDOT(h+)传递电子和空穴，电子用于激活CuCo催化剂实现高效的NO3^-还原产NH₃。这种设计突破了传统光电极的限制，为光电催化效率的提升提供了新的思路。

图2 有机p-n 结光电极的光电催化性能

本工作设计了一种基于有机p-n结网络的分子光电极，将光生电荷的高效分离与选择性暗催化有机结合，用于光电催化NO3-还原产NH3。该光电极在太阳光的照射下，光生电子-空穴在n型PDI和p型PEDOT组分间高效分离，随后光生电子快速转移到邻近的CuCo催化剂上。NO3-还原产NH3的光电流和法拉第效率分别达到27 mA cm⁻²和96%， EQE和IQE达到57%和86%，显著高于目前报道的大多数产氨光电极。在串联光电装置中，该光电极在无外加偏压的条件下，产生了57 mA cm⁻²的光电流，NH₃生成速率达到221 μmol h⁻¹ cm⁻²，EQE为52%。这项工作为设计和开发应用于太阳能燃料合成的分子光电极提供了一种前景广阔的策略。

论文DOI：10.1002/anie.202415729

内容来源：网络

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审　　核：何发

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