太阳能制氢研究的新进展

多年来,科学家们一直在从事太阳能分解水制氢的研究。希望能以此产生无限数量的、廉价的、干净的、可再生的氢气,以解决世界的能源问题,同时也有利于环境保护。目前在这方面开展的研究有:光电解水制氢;光化学分解水制氢;生物化学分解水制氢(即光合作用制氢)等。     

核壳结构设计及界面键合实现氮化钽光阳极快速空间电荷分离

<正>光电催化(PEC)分解水是指在一定外加偏压下利用禁带宽度合适的半导体材料吸收太阳能产生电子-空穴对以驱动水的还原和氧化反应.自1972年Fujishima和Honda[1]首次报道Ti O2光阳极在紫外光和外加电压下实现水分解产生氧气和氢气以来,经过半个世纪的研究, PEC分解水已经发展成为将太阳能转化为可储存氢能的一种简便而有效的方法.     

三维泡沫石墨烯负载磷酸钴盐(Co-Pi)和硼酸钴盐(Co-Bi)高效电催化分解水析氧性能

<正>氢能源是一种理想的绿色能源,电催化分解水制氢具有很好的发展前景.水分解的过程包含析氢和析氧2个半反应,其中析氧过程更为困难,要经历一个复杂的电质耦合(proton-coulped electron transfer,PCET)过程,过电位更高,消耗更多的能量,为电解水制氢的瓶颈.为此,寻找一种能够有效降低析氧过电位的析氧催化剂至关重要.自然界中,绿色植物能够通过光合作用,在比较温和的条件下将H2O分解得到氧气,主要是由于光系统II中的析氧活性中心(oxygen evolving complex,OEC)Mn4Ca O4团簇蛋白的作用.模拟光合作用分解水析氧制氢是一个很有前     

钒酸铋光电催化分解水的研究进展

光电化学(photoelectrochemical, PEC)催化分解水制氢被认为是生态友好、规模化和可持续性地转化与储存太阳能的理想途径之一,但光阳极较低的工作效率限制了PEC分解水的发展.近年来,钒酸铋光阳极因具有较高的理论光电流密度受到科学界的广泛关注.大量的工作聚焦在如何将钒酸铋光阳极所具有的理论潜力尽可能地发挥并应用至PEC分解水制氢.本文通过回顾和分析钒酸铋光阳极的吸光效率、光生载流子分离效率与表面催化产氧效率3个方面的研究进展,对高性能钒酸铋光阳极的设计思路与合成方法进行评述、总结与展望,为进一步挖掘钒酸铋光电极的潜力与开发下一代光电极提供参考和思路.     

基于类囊体膜的光能利用和光动力学治疗

类囊体膜由光合色素、脂类和蛋白质组成,是绿色植物、真核藻类与蓝藻进行光合作用光反应的主要场所.光反应包括水的光解和光合电子传递两个核心过程,前者将光能转化为电子,后者将电子转化为活跃化学能.光反应中的电子传递和氧化还原特性使得类囊体膜可以被应用于生物光电化学和生物光电催化两种光能利用系统.基于类囊体膜的光能利用系统不仅具有材料可再生和低碳绿色等优势,而且具有比完整光合细胞更高的能量效率.同时,类囊体膜中含有光敏剂叶绿素,并具有光合放氧特性和过氧化氢酶活性,使其可以应用于肿瘤的光动力学治疗.本文系统地总结了近年来类囊体膜在这些领域中应用的最新进展,重点介绍了类囊体膜在这3个领域的应用形式和作用机制,讨论了类囊体膜在应用过程中面临的问题与挑战,并对未来研究方向进行了展望.     

揭示光之奥秘的植物

美国一位研究人员发现了植物为何有两种稍微不同的生理机制进行光合作用的原因.植物在进行光合作用时,从水中获得的电子能提供足够的能量,使二氧化碳转变为碳水化合物.为了实现这种转变,吸收光的波长略有不同的两个系统连续进行工作.这两个系统叫做PSI和PSII.     

高等植物光系统复合物结构生物学研究进展

光合作用过程中，植物通过位于叶绿体中类囊体膜上的光系统II和光系统I及其他蛋白复合物将吸收的太阳能转化为化学能，并释放氧气。两个光系统均是由各自的核心复合物和外周捕光天线组成的多亚基膜蛋白色素复合体，并参与植物在不同光照环境的适应调节过程，了解这些复合物的结构有助于对光合作用分子机制的深入理解。文章系统总结了近期高等植物光系统II和光系统I及相关蛋白复合物的结构生物学研究进展。     

LHC-II蛋白复合物的晶体结构

光合作用是生物体将光能转化为化学能的过程。绿色植物、藻类和兰细菌通过光合作用———利用太阳能,将水和二氧化碳转变为有机化合物并放出氧气。光合作用是自然界最重要的化学反应,是包括人类在内的生命体赖以生存和繁衍的基础。全球绿色植物等生物体每年通过光合作用能将太阳能转化为2200亿吨生物能源,相当于全球每年能耗的10倍。绿色植物的光合作用需要捕光系统和光反应中心共同完成,植物捕光系统中的捕光蛋白复合物,就像一块块太阳能板,负责接受太阳能并将其传给光反应中心,而LHC-II则是绿色植物中含量最丰富的捕光复合物,是“捕捉”…     

9,10-二氰基蒽敏化的氧化还原体系中取代苯的化学反应

近年来的研究指出,有多种氧化还原体系能在可见光照射下有效地分解水制氢,其中多数体系包括电子给体,如胺类;光敏剂,各种染料、金属络合物等;电子中继体甲基紫精(MV~(2+))及释氢催化剂,如胶体铂。由于这些体系分解水制氢过程中消耗的电子牺牲体比制得的氢还要贵,所以研究在分解水制氢的同时,水分子能参加氧化还原反应使体系中原来的电子牺牲体化合物生成有用的化合物,已经引起了关注。     

离子注入技术在光解水电极材料改性中的应用

半导体光催化分解水制氢是一种装置简单,相对廉价可靠的能源利用方式.开发具有高光制氢效率的光电极材料一直是材料科学研究领域的热点.目前的半导体光催化材料普遍面临缺乏可见光吸收和载流子分离效率低的问题.这些问题导致目前光解水制氢电极材料的效率较低,达不到商业应用的要求.因此,发展改性的光电极材料尤为重要.离子注入技术作为一种重要的半导体改性技术,相对于传统的化学掺杂方法具有诸多优点.离子注入方法能够保证注入离子的纯度,能够通过控制注入离子的能量和剂量从而控制注入杂质的浓度和深度分布.离子注入技术可以使掺杂不受扩散系数和化学结合力等因素的限制,各种元素均可掺杂.因此,离子注入技术在光电极材料改性方面具有很大的应用前景.本文首先介绍了光解水制氢及离子注入技术的基本原理,然后结合本课题组及其他学者的工作,综述了目前离子注入技术改性光电极材料的特点和研究进展,最后展望了离子注入技术在光解水电极改性应用的未来发展方向.     

贫电子敏化剂敏化光还原甲基紫精的研究

经敏化光还原所生成的甲基紫精阳离子(MV~+)在胶态铂存在下能分解水制氢,这是太阳能转换研究中的重要课题。文献所报     

折叠式太阳能膜

折叠式太阳能膜一种用于航天飞船的新型超轻太阳能动力系统，有望完全免除有效负载量而适用于其他装置。过去几年里，工程技术人员将太阳能电池装在柔性塑料股上，用来代替铝质板以减轻重量。ＮＡＳＡ的喷气推进器实验室（ＪＰＬ）和ＴＲＷ空间与电子工作组已形成最终成膜...     

藻红蛋白微晶的激子光谱

光合作用天线系统起着吸收太阳能并把能量传递到反应中心的作用.光合作用天线系统中的能量传递已被证实非常高效和快速.实验证实,在藻类光合作用天线中,从藻红蛋白经藻蓝蛋白和变藻蓝蛋白至反应中心,总能量传递效率超过90%;而时间分辨荧光谱实验证实,在完整细胞中,能量从藻红蛋白传递至反应中心全过程在小于50ps时间内完成.藻胆体是红藻和蓝藻的重要光合作用天线.藻胆体由核(core)和杆(rod)组成,核主要含变藻蓝蛋白,核的一面附着在类囊体膜上并与反应中心相联,另一半与多根杆相联组成半球     

柔性及半透明钙钛矿太阳能电池

近几年来,有机-无机杂化的钙钛矿太阳能电池的效率突飞猛进,仅仅4年时间里,基于这类材料的固态太阳能电池效率已经达到了经过认证的22.1%.该效率能够与商用的硅基太阳能电池相媲美,并且已远超有机太阳能电池和染料敏化太阳能电池的效率.除了可观的效率,相较于其竞争对手,该类材料具有适应于低温/空气中的溶液处理的能力以及更好的柔性,使其在大规模制备上具有成本优势以及能更好地应用于可穿戴电子设备的能力.本文聚焦于柔性及半透明钙钛矿太阳能电池近期的发展.在柔性钙钛矿太阳能电池方面,讨论了两种主要的器件结构:平面型及纤维型;而在半透明钙钛矿太阳能电池方面,则讨论了两种主要的构造策略:减少膜厚及形成孤立的岛状结构.鉴于该类材料的优势和特性,我们可以确信其在柔性及半透明太阳能电池领域的应用潜力,而这些应用也将进一步推动基于该类材料的太阳能电池的发展.     

藻类天线系统的结构与功能研究进展

藻类在植物进化序列中处于低等的光合细菌和高等植物之间.藻类和高等植物光合器相似,它们都有光系统Ⅱ和光系统Ⅰ两个光合反应中心,因而它们具有相似的光合作用功能,因此藻类光合作用的研究具有一般的意义;另一方面,高等植物的捕光天线是类囊体膜内的叶绿素,而藻类的捕光天线色素主要集中于紧连在类囊体膜外的藻胆体内.藻胆体是由多种藻胆蛋白组成的超分子复合物,含有数百个开链四吡咯色团,分子量高达几百万道尔顿.藻胆体的核心部分是变藻蓝蛋白,由核心向外放射状排列六根由藻红和藻蓝蛋白构成的天线杆,藻胆体的结构如图1所示.各种藻胆蛋白的巧妙搭配使得藻胆体内具有非常高能量传递效率(90%以上).因而,研究藻类天线系统的结构与功能,弄清其中高效能量传递的分子机理,对人工利用太阳能和光能转换器件的开发有借鉴和指导意义,多年来,藻类天线系统的结构与功能研究一直是重要的研究课题之一.     

光电池染料敏化的研究进展

利用半导体作为光吸收器将可见光转换成电能一直受到重视.70年代,人们开发研制了高效硅光电池(固态光伏电池,光电转换效率达25%),在航空器上用于能量供给.以后,人们开始研制半导体液结光化学电池. 一般来说,用Si,GaAs,InP和WSe等半导体(带宽(1.3±0.3)eV)可制成高效液结太阳能化学电池.用Si,GaAs单晶制成光化学电池其光电转化效率可达15%以上,但其严重的光腐蚀性及高的价格限制了这种电池的应用.解决这一问题的办法之一就是使用具有良好的热稳定性和光化学抗腐蚀性的氧化物半导体作电极(如TiO_2,SrTiO_3).然而,氧化物半导体的宽禁带需高能光才能产生电子-空穴对,几乎难以利用太阳光.为了与太阳光相匹配采用了染料敏化半导体电极的方法,在这样的电池中,染料吸收可见光受激后把电子注入半导体导带产生光电流.光电池主要由吸附到半导体电极表面的敏化剂,含有中继电解质的溶液以及金属对电极组成.光敏化剂首先被激发,处于激发态的敏化剂将一个电子注入半电体的导带. 氧化态的染料敏化剂被中继电解质所还原,中继分子扩散     

太阳能电池效率分析

在化石能源日益枯竭的背景下,可再生能源特别是太阳能的利用越来越显示其重要性,由此太阳能的开发利用方式越来越多,能量转换效率不断攀升,使用成本不断下降.其中利用太阳能的主要方式为太阳能电池,目前大致可分为三大类:晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电池和新型太阳能电池.晶体硅太阳能电池又分为单晶硅及多晶硅太阳能电池.薄膜太阳能电池包含非晶硅太阳能电池和多元化合物太阳能电池.而新型太阳能电池包括有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池和杂化钙钛矿太阳能电池等.本文从分析太阳能电池的理论效率出发,与目前太阳能电池的实验效率结合,通过对比各类电池实验效率与理论效率,展望其未来发展前景.     

热化学循环由水制氢

开辟氢能是当前国际上的一个重大课题。氢能体系开发利用的核心问题是由一次能源提供能量使水分解的制氢技术。《热化学循环由水制氢》从热力学的角度介绍热力学化学循环分解水制氢的一些基本原理及构成熟化学循环的若干化学反应体系。原子核聚变是能源开发的一个重要领域。     

二维催化材料在电解水中的研究进展

氢能是一种高热值、无污染的洁净能源.电解水制氢被认为是一种有效利用可再生能源,如风能、太阳能等,实现能量储存和转换的前沿科技.二维材料独特的结构和电子特性使其在催化电解水反应中具有广阔的应用前景.本文系统综述了二维材料在催化电解水反应中的两个半反应——阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)中的关键科学问题和最新进展,并展望了该领域所面临的挑战和机遇.     

碱性藏红T-EDTA光原生电池的研究

1977年,金子正夫等提出碱性藏红T-EDTA光原生电池的光致电势达到844毫伏.这一结果使光原生电池所生电势已可和绿色植物光合作用系统Ⅰ和Ⅱ所生电势相比拟.作者等在此基础上选择合适的工作条件,结果在