客观日本

东京工业大学、金泽大学联合开发出新型环保电化学催化剂

2019年11月08日 化学材料

东京工业大学(Tokyo Tech)和金泽大学组成的联合研究团队开发出了一种新型环保器件,能够利用太阳能来高效催化电化学氧化反应。

为了应对当前的环境危机,有效避免不可再生能源(化石燃料)的使用,绿色能源已成为了全球研究的热点。数十年来,该领域的研究人员一直在寻找利用和收集太阳能的方法。相应地,能够将光能转化为电能的光伏器件的需求量也很大。在上次石油价格引起的经济冲击之后,人们对该类器件产生了极大的兴趣,所以自1970年代以来该类器件方面的研究也有了很大的进展。尽管大多数进展是从基于硅的太阳能电池上取得的,但科学家已经证明,在有机光伏器件上同样也可以实现可观的优良性能。有机材料有很多优点,比如它们可以用环境友好的工艺进行印刷和涂漆,这和造成环境污染的硅工艺截然不同。另外,有机材料多种多样,可以针对每种特定的应用量身定制来选取不同的有机材料。

有机光伏太阳能电池由夹在两个不同电极(一个透明的正面电极,以及一个背面电极)之间的“活性层”组成。活性层正是太阳能转成电能这个魔术的起点:入射光的光子通过碰撞将能量转移到材料的电子上,使后者受到激发,从而留下被称为“空穴”的带正电的赝粒子。从技术上讲,这些赝粒子并不存在,但是它们可以被利用来近似解释材料的电学行为。而电极的重要性在于,每个电极都能够收集这些带电粒子中(一个收集空穴,另一个收集电子)其中的一种,以防止这两种粒子在活性层中重新复合。电子流过连接两个电极的外部电路,从光能中产生电能。

然而,该研究的难点恰恰在于如何在电极处收集大量的电子和空穴并且高效地将光能转换成电能。一些研究人员提出,应当在活性层附近直接将该处产生的空穴或电子消耗在化学反应上。受此启发,包括来自东京工业大学与金泽大学的長井圭治博士的研究团队设计了一种有机光电化学器件的简单制造程序,该器件可以收集太阳能来促进化学氧化反应。该团队提出的方法源自传统的有机光伏器件,这种有机光伏器件易于制造,且其特性已为众人所周知。如图1所示,暴露的活性层上涂有ZnPc材料,并被浸没在硫醇中。入射光产生的空穴将被直接用于由ZnPc层催化(促进)的硫醇氧化过程。被激发的电子将通过正面电极流出,从而产生电流。

东京工业大学、金泽大学联合开发出新型环保电化学催化剂

图1. 器件的结构及性能

该催化剂制造方法的简易性与先进性以及在收集太阳能时所展现出的高效性能昭示了该催化剂广泛的应用前景。长井博士解释说:“背面电极去除是一种有前景且可重复的技术,可用于构建特征明显的光电化学电池。” 该团队还研究了涂有ZnPc的活性层的形貌及其电化学性质,以阐明其催化活性的原理。金泽大学的高桥博士说:“我们清楚地观察到了ZnPc涂层在催化过程中所起到的作用,比如光生空穴的有效积累。”该团队所开发的环境友好型器件为从阳光中收集能量提供了新的方法,同时也使我们朝着更加绿色的未来再次踏进了一步。

东京工业大学、金泽大学联合开发出新型环保电化学催化剂

图2.光电化学器件的制造

【论文信息】
题目:High performance photoanodic catalyst prepared from an active organic photovoltaic cell - high potential gain from visible light
杂志:Chemical Communications
DOI: 10.1039/c9cc04759j

英文发布原文

供稿 钟维
编辑修改 JST客观日本编辑部

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