Nat. Commun.:在氧化还原聚合物中嵌入生物催化剂可提高染料敏化光电阴极在无偏压光电化学水分离中的性能
标题： 和 ： 水的泡沫
通讯作者：é，慕尼黑工业大学； ，乌普萨拉大学； 田，乌普萨拉大学
DOI:10.1038/-024-47517-9
文章简介：
染料敏化光电极由光敏剂和分子催化剂组成，具有可调节的结构和能级，对于低成本、环保的太阳能辅助合成富含能源的产品具有吸引力。 尽管具有这些优点，染料敏化NiO光阴极仍存在严重的电子空穴复合和容易分子脱离的问题，这限制了光电化学水分离装置的光电流和稳定性。 本文开发了一种高效且坚固的生物混合染料敏化氧化镍光电阴极，其中氧化还原聚合物增强了分子间电荷转移。 由于从染料到催化剂的有效辅助电子转移，生物混合氧化镍光阴极相对于可逆氢电极表现出令人满意的光电流（中性pH、0 V下为141±17 μA-cm-2）。 ），并能在5小时内持续稳定输出。 该光电阴极能够与钒酸铋光电阳极结合驱动大量水分离，在所有报道的基于染料敏化光电阴极的水分离装置中显示出优异的太阳能制氢效率。 这些发现表明有机会建立用于合成太阳能燃料的绿色生物混合系统。
关键词：
染料敏化光电极； 太阳能制氢； 光电催化； 生物杂交； 氧化镍
图文介绍：
图 1. a 光电阴极的能量图和 b PB6、PolyV 和 H2ase 的分子结构 ()。 该屏障是紧凑的氧化镍屏障。 S代表PB6的基态，S*代表激发态PB6，SŸ-代表还原态PB6。 蓝色箭头表示首选的电子转移途径。
图 2.NiO|PB6|PolyV|H2ase 光电阴极的横截面 SEM 图像。 dFe、Cl 和 Br 的 b-EDX 图像。
图 3.a. 不同PolyV含量的NiO|PB6|PolyV|H2ase在0 V下的光电流密度与RHE的关系。 误差线代表三片薄膜之间的标准偏差。 b 通过斩波测量的 LSV 曲线。 c 在 0 V 施加电位下记录光电阴极和 RHE 的时变测量结果。 d 测量产生的 H2 量以及 0 V 与 RHE 下 H2 的法拉第效率。 黑线代表H2量，蓝线代表法拉第效率。 空心方块代表NiO|PB6|H2ase，实心圆圈代表NiO|PB6|PolyV|H2ase。
图 4. 原始 a、b NiO|PB6 薄膜和 NiO|PB6|PolyV 薄膜在 560 nm 激发后选定延迟时间的 fsTA 光谱。 c,d 两个样品在 420 和 510 nm 波长下的单波长动力学。
图 5.a 喷水装置总体方案。 b 基于三电极测量获得的照明下 NiO|PB6|PolyV|H2ase（光阴极）和改性 BiVO4（光阳极）的 LSV 扫描。 c 无偏串联 PEC 电池在阳极侧（蓝色）或阴极侧（红色）斩波照明下的时变图。 d 无偏串联水分解PEC电池在50 mW-cm-2光强度（420-750 nm）的阴极照明下的稳定性。 e 在阴极照明下无偏水分解过程中产生的 H2 和 O2 的量以及法拉第效率。 黑线代表气体体积，蓝线代表法拉第效率。 实心圆圈代表H2，空心框代表O2。
综上所述：
本文通过在 PB6 敏化氧化镍电极上集成基于紫胶的氧化还原活性聚合物和 [FeFe]-氢化酶，实现了高效且坚固的生物混合光电阴极。 瞬态光谱数据表明，氧化还原聚合物能够有效地从还原染料中提取电子，从而绕过光电极上的电荷重组。 然后，氧化还原活性聚合物将电子转移到催化剂，有效地产生氢气。 此外，通过引入氧化还原活性聚合物来固定、连接和保护光电阴极上的 H2ase，PEC 的稳定性也得到显着提高。 这种高性能光电阴极与 BiVO4 兼容，能够创建具有基准性能的无偏串联 PEC 器件，为制造两侧具有生物混合电极的串联系统铺平了道路。 聚合物设计方法提供了一种基于地球丰富的元素的高效无偏光电化学氢合成的途径，满足可扩展性要求。
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