Nat.Commun.: 生物催化剂埋在氧化还原聚合物中，提高光电化学水分解性能！
通讯作者: Tian, é,
联系方式：乌普萨拉大学、慕尼黑工业大学
研究背景及内容
由光敏剂和分子催化剂组成的染料敏化光电极具有结构可调、能级可调等优点，是一种低成本、环境友好的太阳能辅助合成富能产品的方法。然而，染料敏化NiO光电阴极存在严重的电子空穴复合和易脱落问题，限制了光电化学分解水装置的光电流和稳定性。
在这项研究中，我们开发了一种高效、耐用的生物混合染料敏化 NiO 光电阴极，其中氧化还原聚合物增强了分子间的电荷转移。与可逆氢电极相比，生物混合 NiO 光电阴极在 pH 值为中性、电压为 0 V 时的光电流为 141 ± 17 μA cm−2，并且在 5 小时内具有稳定的连续输出。
研究亮点
重点 1：在这项工作中，作者开发了一种生物混合染料敏化 NiO 光电阴极，其中有机染料 PB6 充当光敏剂，[FeFe] 氢化酶 (H2ase) 充当质子还原的生物催化剂，基于 Fe2+ 的氧化还原活性聚合物 (PolyV) 充当电子介体。从 PB6 到 PolyV 的快速电子转移抑制了电荷复合。随后从还原的 PolyV 到 H2ase 的电子转移实现了高效的 H2 生成。
要点2：此外，将H2ase固定在PolyV基质中，可以延缓H2ase的脱离，使其在光电阴极上稳定下来。在pH = 7、0 V、RHE条件下，生物混合光电阴极的光电流为141±17 μA·cm−2，连续输出时间为5 h，其光电流和稳定性优于已报道的带有分子催化剂的染料敏化光电阴极。此外，设计的光电阴极用于构建无偏压整体水分解PEC电池，光电流为60~70 μA·cm−2，在10小时的连续运行中仅略有下降，太阳能转化为氢的效率为0.124%（以50 mW·cm−2的辐照度计算）。
图1：生物混合染料敏化光电阴极结构。a光电阴极能量图，b PB6、PolyV和H2ase的分子结构（）。阻挡层为致密的NiO阻挡层。S是PB6基态的缩写，S*为激发态PB6，S•−为还原态PB6。蓝色箭头表示优选的电子转移途径。
图5：整体水分解系统的性能a 整体水分解装置示意图。b 通过三电极测量获得的光照下NiO|PB6|PolyV|H2ase（光电阴极）和改性BiVO4（光电阳极）的LSV扫描图。反向比较了光电阴极的光电流密度。c 在阳极侧（蓝色）或阴极侧（红色）的斩波照射下，无偏串联PEC电池的定时电流分析法。d 在50 mW·cm−2（420-750 nm）阴极照射下，无偏串联水分解PEC电池的稳定性。插图显示了双电极串联装置的照片。e 阴极照射下无偏水分解过程中产生的H2和O2的量以及法拉第效率。黑线表示气体量，蓝线表示法拉第效率。 实心圆圈表示H2，空心方块表示O2。
参考文献：Cheng, Olha, Hardt. 等人在无偏差水中的染料氧化还原中......（2024）。
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