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  近日，中科院大連化物所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、潔凈能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）李燦院士研究團(tuán)隊(duì)在太陽(yáng)能光-電轉(zhuǎn)化和燃料電池化學(xué)能-電能轉(zhuǎn)化交叉領(lǐng)域取得新進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)光催化可以顯著促進(jìn)氧還原反應(yīng)（ORR）的催化活性，并基于此提出了聚合物太陽(yáng)能電池和H2-O2燃料電池耦合的疊層電池概念，相關(guān)研究成果以通訊形式發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.期刊上（DOI:10.1002/anie.201607118)(文章第一作者為華南理工大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生張丙青)。     

  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(shí)產(chǎn)生對(duì)人類生存環(huán)境友好的水分子，是先進(jìn)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(duì)質(zhì)子膜燃料電池PMFC），直接關(guān)系到整個(gè)電池的開(kāi)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(yán)重制約了燃料電池技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化進(jìn)程。為了解決這個(gè)問(wèn)題，世界范圍內(nèi)大量的研究者致力于開(kāi)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；但是，截至目前，催化ORR的過(guò)電位仍然需要至少0.2V左右。因此，發(fā)展降低O2活化過(guò)電位和提高ORR反應(yīng)活性的新催化策略和新思路十分重要。

  在本工作中，研究人員將光催化引入ORR，發(fā)現(xiàn)采用聚合物半導(dǎo)體光催化劑、光照可顯著促進(jìn)ORR的電催化活性，起始電位由0.66V正移到1.34V（遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)商業(yè)鉑催化劑的1.0V），且電流在0.6V時(shí)增大了44倍。由此構(gòu)建的光驅(qū)動(dòng)概念型H2-O2燃料電池中，光照使燃料電池的開(kāi)路電壓從0.64V增大到1.18V，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0.68V和0.54V，且該電壓值與目前研究的大多數(shù)聚合物太陽(yáng)能電池的電壓（0.6-0.8V）相接近。光驅(qū)動(dòng)概念型H2-O2燃料電池可被認(rèn)為是聚合物太陽(yáng)能電池和H2-O2燃料電池疊層耦合的結(jié)果。光促進(jìn)分子氧還原的機(jī)理可能是光激發(fā)聚合物的電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶，導(dǎo)帶上激發(fā)態(tài)的電子具有足夠的電勢(shì)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。該研究結(jié)果為解決燃料電池ORR反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題開(kāi)拓了新的思路，顯示出潛在的應(yīng)用價(jià)值。

  該工作得到了科技部973項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金，以及教育部2011協(xié)同創(chuàng)新中心（iChEM）太陽(yáng)能研究項(xiàng)目的支持。（文/圖 張丙青）

  原文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201607118/full