华东理工大学花建丽教授: 全光谱吸收的纯有机染料DSPEC/DSC串联电池光解水器件

华东理工大学花建丽教授团队提出了利用高摩尔消光系数的蓝色有机染料和一系列吸收光谱互补的有机染料敏化剂，分别应用于染料敏化光电化学电池（DSPEC)和染料敏化太阳能电池 (DSC)，构建全光谱纯有机染料DSPEC串联DSC器件。开路电压较高的染料敏化太阳能电池有利于在光为唯一能量输入的情况下实现光催化全解水。

染料敏化光电化学电池（DSPEC）具有成本低廉、可见光吸收光谱宽、光电极材料易于加工等优点，在光解水制氢方面具有广阔的应用前景。由于催化剂存在一定的过电势或者器件连接电阻的能量损耗，DSPEC器件通常需要外加的偏压。光电化学电池（PEC）/染料敏化太阳能电池（DSC）串联器件可以利用太阳能电池接受光照产生的电压代替偏压，从而保证器件只有光能量输入。众所周知，染料的稳定性以及对光的吸收范围和强度在光电化学器件中具有非常重要的作用，但是目前基于纯有机染料全光谱吸收的DSPEC/DSC串联电池光解水器件还未见报道。

最近，华东理工大学花建丽教授团队设计合成了具有高摩尔消光系数的茚并噻吩大给体蓝色染料S5，并将其成功应用于全固态的染料敏化太阳能电池。S5染料的吸收光谱范围比较宽，但是在450 nm处的吸收有一个缺口。在以前的工作中，该团队也曾利用苯并三氮唑作为额外缺电子基团引入到纯有机染料敏化剂BTA-2中，此染料的最大吸收峰在450 nm处。将吸收光谱互补的S5染料和BTA-2染料组合有望实现全光谱响应。此外，基于BTA-2的DSC器件开路电压高达790 mV，有利于在DSPEC/DSC串联器件中提供高偏压。

作者设计组装了基于纯有机染料的DSPEC/DSC串联器件，使用蓝色有机染料S5敏化光电化学电池，而一系列吸收光谱与S5互补的有机染料BTA-2、 APP-3、APP-1敏化太阳能电池，构建全光谱纯有机染料DSPEC串联DSC器件；为了探索DSC的开路电压（V_OC）对串联器件性能的影响，N719作为参比也被应用在DSC 中。实验结果表明，串联器件的光电流与DSC的V_OC密切相关，DSC的开路电压越大，串联器件电流越高，其中基于S5的 DSPEC和BTA-2的DSC串联器件表现出了最佳的光电流，在以抗坏血酸为牺牲剂条件下的电流达到了3.6 mA/cm²。在此基础上，作者进一步构建了基于BTA-2敏化DSC和S5敏化 DSPEC的串联装置用于水的全分解，该装置使用了唯一的光能量输入。在过程1中，采用I^-/I₃^-作为氧化还原电对用于染料再生，获得了500 μA/cm²的光电流，产氢量为2.11 μmol；在过程1生成的I₃^-作为牺牲剂，Pt-IrO₂/WO₃表面发生水氧化反应生成O₂ 的量0.88 μmol（过程2）。该策略为纯有机染料在DSC/DSPEC串联电池光解水器件中的应用拓宽了新的思路。

图1 DSPEC/DSC串联器件结构示意图以及染料S5、BTA-2、APP-3、APP-1和N719的分子结构

详见：Shicong Zhang, Haonan Ye, Haoran Ding, Fengtao Yu & Jianli Hua*. Photo-driven water splitting photoelectrochemical cells by tandem organic dye sensitized solar cells with I^-/I₃^- as redox mediator. Sci. China Chem., 2019, doi: 10.1007/s11426-019-9596-7

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通讯作者简介

花建丽 华东理工大学教授，博士生导师，中国可再生能源学会光化学专业委员会委员。2002年7月在武汉大学获得理学博士学位；2002年8月至2004年7月，在华东理工大学精细化工研究所从事博士后研究；2004年8月至2005年8月，在香港科技大学化学系从事博士后研究。主要从事有机/高分子光电功能材料的合成及其光物理、光化学性能研究。迄今已在 J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv.Funct. Mater., Applied Catalysis B: Environmental、J. Mater. Chem.A.，Chem. Sci.等期刊上发表SCI收录论文165 篇（H指数为39），被SCI他引5376次。研究工作曾获2016年度上海市自然科学一等奖（第二完成人）。