《太阳能光解水制氢的能带调控及反应体系设计》

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该项目属于新能源工程技术领域。太阳能具有能量密度低、不连续、不稳定的特点,利用光解水制氢可将其直接转换为可存储的高品质清洁能源-氢能,是人类能源与环境可持续发展最具潜力的道路之一,也是一个极具挑战性的难题。基于该技术具有成本低和可规模化的优势,美国DOE测算太阳光-氢能转化效率达到5%以上即可实现产业化。该项目深入研究了增强光吸收、光生载流子传输、以及表面能质转化等各个关键过程,揭示了光氢转化机理,构建了高效制氢反应体系,发展了提高光解水制氢效率的理论和方法。主要发现点如下:

1.揭示了光解水制氢反应体系能带结构与光氢转换的关系,发展了能带工程理论。提出了催化剂优化改性的原位固相策略,实现了温和条件下能带调控的绿色工艺;发现了稀土元素的电子结构与宽带隙半导体能带结构的杂化效应,实现了可见光直接分解水产氢;利用固溶体调变电子离域特征,解决了铋(钒)基催化剂能响应可见光却不能完全分解纯水的难题,丰富了能带工程理论。成果被评价为是一种“强有力的工具”和“典型例子”。

2.发展了界面复合催化剂和共催化剂体系,揭示了界面结构特征对能质传输和产氢效率的影响规律。阐明了“异质结”和“限域效应”对结构稳定性和光氢转化的作用机制;发现并阐明了反应体系中“雀巢”结构和“超氧阴离子”对增强产氢效率的促进机理。成果被评价为“显著的”的效果和“可行路径”。

3.提出了低成本高效率制氢系统设计原则和面向工程应用评价标准的科学依据。基于低量助催化剂设计原则,获得了低成本高效率的双负载催化反应体系,实现了6.02%的光氢转换效率;设计了内建磁核的核壳结构催化剂,解决了制氢系统中的分离和回收难题;阐明了多相流体系中固液界面上的氢氧气泡的生成和传输行为,以及电子施体对光氢转化效率的影响,为太阳能直接制氢工程应用研究的评价规范化提供了科学依据。成果被评价为是“优化了”,“仅有的”,揭示了“重要的影响因素”。

8篇代表作SCI他引总计680次,其中4篇论文单篇他引100次以上,3篇入选ESI高引论文。研究成果获得了Nature Reviews,Energy Environ. Sci.,Nano Energy等著名期刊的广泛引用、借鉴和正面评价。作为主要起草单位和起草人制订颁布了国际上首部关于太阳能光催化制氢量子效率和能量效率计算的国家标准。项目组2人连续四年入选“中国高引学者”榜单,产生大学教授6人,国家优青1人,出版专著1本。

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