光碟機動水氧化功能分子組裝體的設計、合成與性能研究

《光碟機動水氧化功能分子組裝體的設計、合成與性能研究》是依託大連理工大學,由李斐擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：光碟機動水氧化功能分子組裝體的設計、合成與性能研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李斐

項目摘要

通過光電化學電池分解水，實現太陽能到氫能的轉化是解決當前能源危機的一條理想途徑。本項目從建立光電化學電池的核心問題即高效水氧化催化劑參與的光碟機動水氧化體系出發，提出通過構建光敏劑-催化劑光致放氧分子組裝體，實現分子內快速電子轉移和高效光碟機動水氧化的構想。研究著眼於光敏劑與催化劑之間的熱力學匹配性，基於含N、O負離子配位的強供電性配體,以釕和鈷為中心金屬設計一系列新型分子水平水氧化催化劑，以期降低水氧化過電位，滿足催化劑向光敏劑電子傳遞的熱力學要求。通過共價鍵聯接、配位自組裝、主-客超分子組裝等靈活多樣的方式聯接光敏單元和催化單元,製備一系列性能可調的具有套用前景的光致放氧分子組裝體。在均相體系中以犧牲電子受體模擬半導體電極,考察、最佳化超分子體系的可見光碟機動水氧化性能，促進以光解水制氫為中心的太陽能轉化和利用。

結題摘要

水氧化反應是制約目前人工光合作用體系發展的瓶頸所在，為實現高效光碟機動水氧化，本項目經過三年的努力，圍繞光敏劑-催化劑光致放氧分子組裝體的構建和分子催化劑在光、電器件中的負載利用，取得了一系列令人滿意的成果，順利完成預訂目標。在項目資助下發表高水平SCI收錄論文9篇，其中在國際權威化學期刊Angew. Chem. Int. Ed.上發表論文3篇。所取得的代表性成果主要有：（1）通過共價連線和主-客超分子組裝等方式製備了多個光敏劑-催化劑超分子組裝體，在均相體系中實現了模擬PSII釋氧活性中心高效產氧。超分子體系比相同濃度下多組分體系的光催化性能有明顯提高，其中共價連線的Ru-Co超分子產氧TON提高近10倍，非共價作用相結合的Ru-Ru超分子體系的光量子效率高達88%（420 nm）。通過閃光光解等手段證明快速的分子內電子轉移是保障分子組裝體高活性的根本原因。（2）發展高效的雙核釕水氧化催化劑，建立多金屬協同的分子內反應機制，有效克服催化劑活性對於濃度的依賴。在納摩爾級低濃度下，雙核釕催化劑的產氧速率高達到40s-1，高於文獻報導的所有分子催化劑。（3）初步實現分子催化劑的器件化，基於分子催化劑構建碳基納米複合陽極，在中性、低電位條件下高效電解水產氧；將立方烷鈷水氧化催化劑和半導體光催化材料α-Fe2O3相耦合，製備了第一例分子催化劑/可見光回響半導體複合光陽極。這些成果對於探索太陽能轉換中相應的調控理論、開發新型光催化能源材料和建立可持續發展的新能源體系具有重要科學意義。