封装式PbS量子点无需添加剂即可促进太阳能水分解

隶属于UNIST的一个研究团队开发了稳定且高效的基于氯唑胺的光电极,以应对长期存在的腐蚀挑战。这一进步为太阳能水分解技术的商业可行性铺平了道路——即通过阳光直接产生氢气,无需电气输入。

基于PbS-QD光阳的光电化学(PEC)性能.来源:自然通讯(2025)。DOI:10.1038/s41467-025-65987-3

由能源与化学工程学院的Ji-Wook Jang and Sung-Yeon Jang联合领导,研究团队报告称,这是一种高度耐用且耐腐蚀的金属封装聚碳酸酯聚碳化物(PbS-QD)太阳能电池光电电极,可在无需牺牲剂的情况下,实现高光电流和长期运行稳定性。publishedNature Communications该研究发表在《自然*通讯》期刊上。

聚氧水分离是可持续氢气生产的有前景的途径,利用阳光在电解质溶液中将水分解为氢气和氧气。这一过程的效率在很大程度上取决于光电电极中半导体材料的稳定性,该材料能够吸收阳光并促进电化学反应。尽管基于硫化颞酸(PbS)及其优良的光吸收和电荷运输特性受到高度重视,但当浸入水中时容易发生氧化和降解,从而限制其运行稳定性。

传统上,维持稳定性需要添加昂贵的牺牲品,这种物质既不经济可持续,也不环保。

PbS-QD太阳能电池的表征。来源:自然通讯(2025)。DOI:10.1038/s41467-025-65987-3

UNIST的研究人员引入了一种新型配置,将PbS量子点封装在两种金属中——镍(Ni)和菲尔德金属(FM)——以形成坚固的抗腐蚀屏障。镍箔既能作为物理保护罩,又能作为水分裂的高效催化剂,而调味层则在QD周围形成无缝密封,有效阻挡了水分进入。

一项关键发现是,紫外线会穿透电脑系统,加速内部层的退化。为了应对这一问题,研究人员设计了一种倒层结构,能够吸收外层PbS层内的紫外线,保护脆弱的内部电子转移通路免受紫外线引起的损伤。

新型光电电极在1.0 M NaOH解决方案中实现了18.6 mA/cm2的创纪录高光流密度,在连续运行24小时后,保持了约90%的初始性能。通过紫外线阻隔功能进一步优化后,电极可稳定运行超过100小时,且不会造成性能损失。

张教授评论道:“尽管其具有优异的光电化学特性,但金属硫化物的不稳定性限制了它们的实际使用。”我们的方法消除了对昂贵牺牲品的需求,同时实现了高效率和长期耐用性,使我们更接近于商业化的太阳能氢气生产。