Efficient Solar-to-Hydrogen Conversion Efficiency at pH 7 Based on a PV-EC Cell with an Oligomeric Molecular Anode  

基于寡聚分子陽極的PV-EC電池在pH 7條件下實現高效太陽能-氫能轉化  

來源：ACS Applied Materials & Interfaces，2020, 12, 50, 55856–55864

美國化學會《應用材料與界面》期刊，2020年第12卷第50期，頁碼55856–55864

 

 

摘要內容：  

摘要提出了一種基于寡聚釕分子催化劑（RuPol）的新型光伏-電解（PV-EC）系統，首次在中性pH（pH 7）條件下實現21.2%的太陽能-氫能（STH）轉化效率。該系統通過將寡聚分子陽極（Ru(O)Pol@CNTs@FTO）與高效光伏電池（鈣鈦礦或InGaP/GaAs/Ge三結電池）耦合，利用分子催化劑的明確活性位點實現低過電位（350 mV）水氧化，催化劑負載量極低（<16 nmol/cm2）。氣體檢測證實法拉第效率接近100%，系統連續運行15小時無衰減。  

 

研究目的：  

1. 開發可在中性pH條件下高效工作的分子陽極，替代傳統金屬氧化物催化劑（需強酸/強堿環境）  

2. 構建高性能PV-EC系統，實現溫和條件下（pH 7, 1 sun）的太陽能-氫能高效轉化  

3. 驗證分子催化劑在電解裝置中的長期穩定性  

 

研究思路：  

1. 分子陽極制備：合成寡聚釕催化劑RuPol，通過滴涂法負載于碳納米管修飾的FTO/玻碳基底  

2. 電化學表征：通過循環伏安（圖2）、計時電位驗證中性pH下水氧化活性  

 

3. 光伏組件集成：  

   ? 實驗室鈣鈦礦電池串聯（圖3）：Voc>2 V，PCE~18%  

 

   ? 商用InGaP/GaAs/Ge三結電池（圖5a）：Voc=2.37 V  

 

4. PV-EC系統構建：  

   ? 分子陽極（OER）+鉑陰極（HER）組成電解池（圖1）  

 

   ? 光伏與電解池J-V曲線匹配優化（圖4a, 5a）  

 

5. 性能驗證：  

   ? 實時電流監測（圖4b, 5b）  

 

   ? Unisense電極同步檢測O?/H?產率  

 

測量數據、來源及研究意義：  

1. 電化學數據（圖2）  

   ? 數據：Ru(O)Pol@CNTs@FTO在pH 7的催化起始電位（Ecat,onset≈1.15 V vs. NHE）  

 

   ? 來源：圖2（CV曲線）  

 

   ? 意義：分子催化劑過電位比RuO?低100 mV，實現1.27 V@1 mA/cm2的高電流密度  

 

2. 光伏特性（圖3）  

   ? 數據：串聯鈣鈦礦電池Voc>2 V，最大功率點1.75-1.85 V  

 

   ? 來源：圖3b（J-V曲線）  

 

   ? 意義：為中性pH電解提供充足驅動電壓  

 

3. 實時運行數據（圖4b, 5b）  

   ? 數據：鈣鈦礦-PV-EC系統3 mA/cm2穩定電流（4小時）；三結電池系統6 mA/cm2（15小時）  

 

   ? 來源：圖4b（電流-時間曲線）  

 

   ? 意義：驗證系統在中性條件下的長期穩定性  

 

4. 氣體產率數據  

   ? 數據：Unisense電極檢測O?/H?法拉第效率≈100%  

 

   ? 意義：證實分子催化劑本征活性與無副反應  

 

5. 催化劑穩定性驗證（圖5d）  

   ? 數據：15小時運行后CV曲線保持特征氧化峰（RuIII-OH/RuIV=O）  

 

   ? 來源：圖5d（運行前后CV對比）  

 

   ? 意義：分子結構在高壓下保持完整  

 

結論：  

1. 分子陽極突破：Ru(O)Pol@CNTs@FTO實現中性pH下最低過電位（350 mV）和超低催化劑負載（<16 nmol/cm2）  

2. STH效率記錄：InGaP/GaAs/Ge三結電池耦合系統達21.2% STH（pH 7, 1 sun），為當前非聚光系統最高值  

3. 普適性驗證：兼容FTO/玻碳基底，適配不同光伏組件（鈣鈦礦系統STH=13.2%）  

4. 穩定性機制：寡聚結構通過Ru中心明確活性位點維持長期穩定（>15小時）  

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細研究意義

 

1. 原位同步監測  

   ? 采用O?敏感型OX-NP15127和H?敏感型H2-NP706731電極，在密閉電解池中實時同步檢測氣體產率  

 

   ? 技術優勢：避免氣相色譜的取樣誤差，實現時間分辨的產氣速率分析  

 

   ? 研究意義：直接驗證100%法拉第效率，排除催化劑分解或副反應產氣干擾，為分子催化劑穩定性提供關鍵證據  

 

2. 低濃度氣體定量  

   ? 在低光強（0.28-0.36 sun）條件下精準檢測微量氣體（電流密度3-6 mA/cm2對應產氣量≈3.5-7 mL/h），證明傳感器高靈敏度  

 

   ? 研究意義：解決中性pH系統低電流密度下的氣體定量難題，確認系統能量轉化效率計算準確性  

 

3. 穩定性關聯分析  

   ? 氣體產率曲線與電流曲線（圖5b）高度吻合，無衰減波動  

 

   ? 研究意義：佐證分子催化劑在中性電解液中無失活現象，顛覆傳統金屬氧化物催化劑在pH 7不穩定的認知