客观日本

东工大等使用有机薄膜光伏电池制作高活性光催化剂

2019年10月16日 能源环境

日本东京工业大学的长井圭治副教授与金泽大学的桑原贵之副教授(故)、高桥光信教授和辛川诚副教授等人组成的研究小组,通过物理方式剥离不含过渡金属的有机薄膜光伏电池(OPV)的阳极,并添加催化剂,成功将其变成了高效率的光催化剂。

目前使用的氧化钛光催化剂只对紫外线有反应,因此东京工业大学的研究小组一直在利用不含任何过渡金属的有机材料,开发能对可见光作出反应的光催化剂。本研究利用金泽大学开发的倒置型有机薄膜光伏电池,剥离阳极,并在其表面蒸镀蓝色色素——有机材料酞菁,成功获得了具备强氧化能力的光催化剂。

研究小组此次以独创的新方法制作的光催化剂能够在可见光的照射下高效引发光氧化反应,有助于设计具备全新用途的新型光催化剂。

相关成果已于2019年10月1日发表在英国皇家化学学会的简报期刊《化学通讯》的网络版上。

研究小组发现,利用有机材料酞菁的p型半导体与n型半导体的pn结可以作为光催化剂使用,最近十多年一直在推进相关研究。近年来,随着欧洲的研究团队也全面涉足该领域,东京工业大学的长井副教授开发了能进一步降低成本的批量生产法,并向企业实施了技术移转。

另一方面,金泽大学开发了倒置型有机薄膜光伏电池,并推进了社会应用试验。这种光伏电池可以在空气环境制造,无需封装即可稳定工作,与以往的光伏电池相比,特点是能大幅降低材料成本和制造成本,而且重量轻、毒性低。

此次的研究融合了这两项技术,成功获得了巨大的氧化电位增益。具体方法是,对倒置型有机薄膜光伏电池的单侧电极阳极进行物理剥离,并在其表面蒸镀8nm的酞菁。由此获得了氧化能力大于普通pn结的有机光催化剂。经实验确认,这种有机光催化剂针对银-氯化银参比电极,在-0.35V这个通常难以发生氧化反应的负电位也能发生氧化反应。由于是以光伏电池骨架为基础材料,发生了单向电子运输。因此,表面仅发生氧化反应。

东工大等使用有机薄膜光伏电池制作高活性光催化剂

图1:倒置型有机薄膜光伏电池(左)和此次采用的光催化电极(右)

东工大等使用有机薄膜光伏电池制作高活性光催化剂

图2:采用此次开发的有机光催化剂的有机分子(硫醇)的氧化反应电流电位曲线。未蒸镀酞菁时(左图),无论是否有光照射都不会发生氧化反应。蒸镀酞菁后(右图),照射可见光从-0.35V(银-氯化银电极标准)开始观测到硫醇氧化。

论文信息
发表期刊:《化学通讯》
论文题目:High performance photoanodic catalyst prepared from an active organic photovoltaic cell - high potential gain from visible light
DOI :10.1039/c9cc04759j

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文:JST客观日本编辑部翻译整理

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