宁波材料所汪德高研究员-北卡教堂山分校Thomas J. Meyer教授：用于CO2还原的染料敏化光电阴极组装和串联光电化学电池

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所汪德高研究员和美国北卡罗来纳大学教堂山分校化学院Thomas J. Meyer教授的AMR述评文章“Dye-Sensitized Photocathodes Assembly and Tandem Photoelectrochemical Cells for CO₂ Reduction”在线发表。文章总结了用于二氧化碳还原的染料敏化光电阴极的结构设计，主要讨论光电阴极表面分子催化剂的组装策略，以及新型高效无偏压串联光电化学电池的研究进展，并展望了该领域未来的发展需求。

关键词：人工光合作用；二氧化碳还原；染料敏化光电化学电池；光电阴极；表面结构调控

Hybrid photocatalysts for photoelectrochemical cells integrate the beneficial characteristics of well-defined molecular active sites with the stability and wide-ranging absorption properties of heterogeneous semiconductors with small band gaps.

Analysis conducted on a nano-to-microsecond time scale using transient absorption measurements reveals that the assemblies experience prompt hole injection into the oxide electrodes, succeeded by a comparatively gradual recombination of interfacial charges.

Significant progress has been made through synergistic effects of the molecular chemical reactivity and semiconductors physics properties, but there is still much that needs to be optimized and accomplished.

01 文章内容简介

大气中二氧化碳浓度的逐年上升带来了一系列严峻的全球性环境问题，如全球变暖、冰川融化以及生物多样性减少。为此，二氧化碳的转化和利用变得尤为关键。传统的热催化二氧化碳还原技术往往涉及高温、高压条件，从而导致能耗增加。作为一种能实现能源可持续利用的方法，光催化二氧化碳还原(CO₂RR)技术在生产和利用碳基还原产品中展现出巨大的应用价值，是有效应对能源短缺和全球变暖问题的潜在解决方案之一。尽管半导体光催化剂具有低成本和易于修饰等优点，然而载流子传输速率慢和光稳定性差等问题限制了其在二氧化碳还原中的实际应用。

由半导体电极表面的光敏剂和催化剂单元组成的均相催化剂，能同时实现光催化二氧化碳还原和水氧化(WOR)。在此过程中，二氧化碳转化为甲醇等碳氢化合物，而水氧化则产生氢气和氧气。然而，由于这两个半反应涉及无机半导体材料和催化剂的选择性、反应条件的协调和产物的分离和纯化等差异，在单一的催化体系中难以实现同步发生。为了解决上述问题，研究人员探索了多种人工光合作用策略以同步实现更高效的光催化二氧化碳还原和水氧化，主要集中在半导体电极表面结构的优化和新型催化剂的开发，并通过结合分子化学反应与表面构造技术，来显著提高光催化活性。

鉴于此，本文在综述染料敏化光电化学电池(Dye-Sensitized Photoelectrochemical Cells, DSPECs)结构的基础上，重点探讨了染料敏化光电阴极应用于光催化二氧化碳还原的反应机理，电极表面结构优化和光敏剂-催化剂组装策略的研究进展。此外，本文还简要总结了典型串联光电化学电池在人工光合成领域的研究进展，通过构建“Z机制”人工光催化体系，同步实现二氧化碳还原和水氧化。

最后，我们展望了此类半导体表面分子催化剂和新型高效无偏压串联电池的发展需求，希望为将来的研究提供有益的启发。

02 请问您选择该领域的初心是？

作者团队：

太阳能作为自然界中丰富的可持续清洁能源，可以在解决当前能源短缺问题的同时有效减少因过度消耗化石燃料造成的环境污染问题。光电化学电池(Photoelectrochemical Cells, PECs)技术作为人工光合作用的一种重要途径，能够有效利用太阳能，将水和二氧化碳转化为氢气和碳氢化合物等燃料，可在满足人类对能源的需求的同时优化世界能源结构，该领域目前已受到广泛关注。相较于半导体光电极，分子染料敏化光电极具有更好的产物选择性和表面修饰性，不仅能作为典型的人工光合作用模型，还能帮助研究人员深入了解光电化学催化机制。因此，我们希望从光催化二氧化碳还原的反应机理出发，通过染料敏化光电阴极和串联光电化学电池的设计优化，深入理解电极表面结构与光电性能之间的构效关系，为未来设计高效稳定的光电化学电池提供启发，推动人工光合作用领域的持续发展和更广泛应用。

03 您认为该领域当前最值得关注的研究热点是什么？

作者团队：

与能够直接将太阳能转换为电能的染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells, DSSCs)相比，染料敏化光电化学电池更具有挑战性。在这个领域中，通过分子化学反应和半导体物理性质的协同作用，已取得了突破性研究进展，但仍存在不少需要深入研究和优化的问题，以提高染料敏化太阳能电池制备过程中关键半反应催化剂的效率和耐久性。例如：（1）将光吸收范围扩大到近红外区域，并保留催化剂的激发态能量；（2）改善光敏剂和催化剂的分解问题，以保持其长时间稳定性；（3）通过改变氧化物半导体和光敏剂-催化剂组件的结构来提高界面光生电荷的传递效率；（4）开发新型无偏串联电池，高效耦合光催化二氧化碳还原和水氧化等。

作者团队简介

美国北卡罗来纳大学教堂山分校

化学院教授  Thomas J. Meyer

Thomas J. Meyer，美国北卡罗来纳大学教堂山分校化学院教授，美国科学院院士，无机化学家，物理化学家。1963年于美国Ohio University获得学士学位；1966年于美国Stanford University获得博士学位；1975年至今担任美国北卡罗来纳大学教堂山分校化学院教授。曾获得美国化学会光学奖(1997)，Porter Medal奖章(2012)和Samson奖(2014)等。

中国科学院

宁波材料技术与工程研究所

研究员  汪德高

汪德高，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员，2021年作为“团队人才”研究员加入中国科学院宁波材料所。主要从事分子光催化剂在能源转化应用领域的探索研究。近年在PNAS，J. Am. Chem. Soc.，Nat. Commun.，Angew. Chem. Int. Ed.，Energy Environ. Sci.等国际一流学术期刊上发表论文30余篇。任Chinese Chemical Letters杂志青年编委。

中国科学院

宁波材料技术与工程研究所

助理研究员  费玲

费玲，中国科学院宁波材料技术与工程研究所助理研究员，2021年于南京理工大学获得硕士学位，目前研究方向主要为光电化学催化。

中国科学院

宁波材料技术与工程研究所

博士后  雷蕾

雷蕾，中国科学院宁波材料技术与工程研究所博士后，2022年于湖南大学获得博士学位，目前研究方向集中在纳米功能材料的制备、结构和催化性能分析上。

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Dye-Sensitized Photocathodes Assembly and Tandem Photoelectrochemical Cells for CO₂ Reduction

Ling Fei, Lei Lei, Thomas J. Meyer*, and Degao Wang*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00183

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