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H₂-O₂燃料電池能將氫氣直接高效轉(zhuǎn)化為可廣泛應(yīng)用的電能，同時產(chǎn)生對人類生存環(huán)境友好的水分子，是先進可持續(xù)清潔能源體系發(fā)展的重要方向之一。其中，陰極的ORR是H₂-O₂燃料電池的控速反應(yīng)（尤其對質(zhì)子膜燃料電池PMFC），直接關(guān)系到整個電池的開路電位和輸出功率。貴金屬鉑是ORR最好的催化劑，但是較高的成本嚴重制約了燃料電池技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化進程。為了解決這個問題，世界范圍內(nèi)大量的研究者致力于開發(fā)替代Pt或降低Pt用量的催化劑，如Pt合金、Pt核殼結(jié)構(gòu)催化劑、C基催化劑等，但截至目前，催化ORR的過電位仍然需要至少0.2 V左右。因此，發(fā)展降低O₂活化過電位和提高ORR反應(yīng)活性的新催化策略和新思路依然十分重要。

在本篇文章中，李燦院士團隊將光催化引入ORR，從圖1a的線性掃描伏安法曲線(linear sweep voltammetry LSV曲線)圖中可以發(fā)現(xiàn)，在氧氣飽和的0.1 M KOH電解質(zhì)中，當采用聚合物半導(dǎo)體光催化劑時，光照可顯著促進ORR的電催化活性，起始電位由0.66 V正移到1.34 V（遠遠超過商業(yè)鉑催化劑的1.0 V），且電流在0.6 V時增大了44倍。圖1b中顯示雙氧水H₂-O₂的產(chǎn)率近100%、電子轉(zhuǎn)移數(shù)為2，這就表明，在光照條件下，ORR是一個二電子轉(zhuǎn)移的過程。光催化ORR活性增強也在其它不同電解質(zhì)中得到驗證。

圖 1. a, LSV曲線; b, H₂O₂的產(chǎn)率、電子轉(zhuǎn)移數(shù)

由此構(gòu)建的光驅(qū)動概念型H₂-O₂燃料電池中，光照使燃料電池的開路電壓從0.64 V增大到1.18 V，短路電流增大1倍。光催化使半反應(yīng)ORR和全電池反應(yīng)的電位分別增大0.68 V和0.54 V，且該電壓值與目前研究的大多數(shù)聚合物太陽能電池的電壓（0.6-0.8 V）相接近。光驅(qū)動概念型H₂-O₂燃料電池可被認為是聚合物太陽能電池和H₂-O₂燃料電池疊層耦合的結(jié)果。

光促進分子氧還原的機理可能是光激發(fā)聚合物的電子從價帶到導(dǎo)帶，導(dǎo)帶上激發(fā)態(tài)的電子具有足夠的電勢轉(zhuǎn)移填充到氧分子的反鍵軌道（2p*，2s*），從而使氧還原反應(yīng)更加容易。

圖 2. a, 串聯(lián)電池的工作原理；b, 氧還原反應(yīng)的能量示意圖

總結(jié)

李燦院士團隊發(fā)現(xiàn)光催化可以顯著促進氧還原反應(yīng)催化活性，并基于此提出了聚合物太陽能電池和H₂-O₂燃料電池耦合的疊層電池概念。將光催化引入ORR，該研究結(jié)果為解決燃料電池ORR反應(yīng)動力學問題開拓了新的思路，顯示出潛在的應(yīng)用價值。