Solar RRL: 基于纯有机半导体的水裂解

光电催化(PEC)是一种有具有吸引力的方法来生产氢气和氧气,可用于收集太阳能以及按需存储和使用所产生的氢能源。PEC分解水比光催化方法具有多个优势,包括分离不同产物的能力以及通过施加外部偏压克服能级失配的能力。此外,最近的研究表明,在一个系统中将光阳极和光阴极结合使用可以实现完全光驱动的PEC水分解,并且无需施加任何外加偏压。

光电催化分解水的电极主要由无机半导体组成,最近报道的光电电极提供的光电流密度(Jph)接近10 mA cm-2,超高的Jph值(30mA cm-2)也偶尔有报道。尽管有机半导体材料相对于无机半导体材料具有一些吸引人的优势,例如更宽的太阳光谱吸收、分子尺度的可调性、高载流子迁移率、低成本和高效的加工。但有机半导体在PEC电极中作为活性材料的研究仍然滞后。理想条件下,用于PEC当水分解时,有机半导体浸入水溶液中时必须能够与离子(例如H+或OH)相互作用。另外,它们应在光照下产生足够的光电压以驱动氧化还原半反应,并且还应具有比其复合速率更快的电荷转移速率。由于这些问题,传统的有机半导体大多被应用于光吸收层,而无机材料则作为空穴选择层,电子选择层和/或催化剂。目前已有报道用有机本体异质结作为光吸收层,其中性能最优的光电极可以提供与无机光电极相当的Jph。在之前的数篇综述中已经对这些光电极的性能和改进策略进行了总结。

通过掺杂调控氮化碳的光电性质。

由于仅使用传统的有机半导体难以同时完成光收集和驱动氧化/还原半反应,因此用于水分解应用的基于纯有机半导体的光电电极被长期忽视,已报道应用这类材料组装的光电极可达到的Jph值通常低于10μAcm-2。但是,最近发展的高性能光电极的有机半导体(例如聚噻吩,石墨型氮化碳和共轭炔聚合物)的Jph值可以高达100μAcm−2,使该方向再次成为研究的热点。东京工业大学的道信刚志教授和南洋理工大学的张其春教授总结了纯有机半导体材料(例如聚噻吩,石墨型氮化碳和共轭炔聚合物)在水介质中用于析氢反应(HER)和析氧反应(OER)的最新进展并对该领域未来发展作了简要展望。该综述在线发表在最近的Solar RRL上。(DOI: 10.1002/solr.201900395)