隨着全球對環保問題的日益關注，完善替代能源發電技術已成爲全球研究者的熱門話題。在研究如何產生清潔能源的諸多技術中，水分解是其中最有前途的一種。人們可以利用太陽能將水（H2O）分解而獲得氫氣（H2），這被方法稱爲光電化學水分解。氫氣可用作維持機器運轉的清潔燃料，也可直接用作發電，這意味着改進水分解技術是減量碳排放和緩解全球暖化的一種極其有效的方式。
圖1. 光電化學水分解。透過使用適當的光電化學陽極材料，在如圖所示的電路中施加低電壓，可以將水分解成H2和O2。產生的H2可用作清潔燃料，這意味着光電化學水分解是一種十分有效的太陽能收集方法。（圖片來源：東京工業大學）
那麼光電化學水分解是如何運作的呢？簡而言之，如圖1所示，一種簡單的實施辦法爲，使用一種被稱爲光陽極的半導體材料，將其連接到電壓源和作爲陰極的金屬線上。當暴露在陽光下時，水分子在兩個電極上被分解爲構成水分子的兩種原子。隨後這兩種原子重組形成有用的H2和O2。其中極其關鍵的一步是爲光電陽極找到穩定、性能好的材料，因爲O2形成這一子步驟是最困難的。不幸的是，大多數研究都集中在一類稱爲氧氮化物的光陽極上，這種光陽極穩定性差並且降解較快，因爲其在光線照射下十分容易氧化。爲了解決這個問題，由前田和彥教授領導的東京工業大學的研究團隊將研究焦點放在了在另一種光陽極材料上，即化學式爲Pb2Ti2O5.4F1.2的氟氧化物。該化合物由於其特殊的電子性質而免於自氧化的困擾。
儘管該氟氧化物在諸多其他應用中都有着廣泛的前景，但其光電化學性能目前尚不可知，並且尚未出現將其作爲光分解水的光陽極材料這方面的研究。該研究團隊在各種光照及施加電壓的條件下對該化合物進行了研究，發現將其用作光陽極時，必須首先用其他化合物對其表面進行修飾。首先，必須在氟氧化物的表面上沉積物一層二氧化鈦（TiO2），以增加水分解反應產生的光電流。然後，可以透過用氧化鈷（CoOx）塗覆光陽極來進一步提高光陽極的性能，氧化鈷會穿進TiO2層的縫隙中並促進所需反應的發生。「事實證明，在大多數情況下，用水氧化促進劑對光陽極進行修飾，是實施性能穩定所不可或缺的一步。」 前田教授表示。
研究人員透過實驗表徵了該光陽極在各種條件下的水分解催化性能，例如在不同波長的光下以及在不同的施加電壓和pH值（可解讀爲對水的酸度的度量）下。他們的研究結果令人十分振奮（圖2），該結果將爲其他研究者指明方向。 「到目前爲止，氧氮化物和類似化合物因其自氧化而導致的不穩定性而一直被視爲有前途但難以掌握的光陽極材料。然而，Pb2Ti2O5.4F1.2這種材料的發現正預示着針對這一問題期待已久的突破。」前田教授總結說。水分解技術對於在不破壞環境的前提下滿足我們對能源的需求的這一問題上至關重要，此類研究是實施綠色未來所必不可少的鋪路石。
圖2. 所提出光電陽極的性能。經過適當的表面改質後，氟氧化物Pb2Ti2O5.4F1.2變成了非常有應用前景的光電陽極。該圖顯示了在陽光下產生的光電流，該電流會直接助力電路另一側陰極上H2的產生。（圖片來源：東京工業大學）
圖3. 在Pb2Ti2O5.4F1.2電極上進行光電化學水分解的示意圖。（圖片來源：東京工業大學）
【論文資訊】
題目： Solar-Driven Photoelectrochemical Water Oxidation over an n-Type Lead-Titanium Oxyfluoride Anode
雜誌：Journal of the American Chemical Society
DOI: 10.1021/jacs.9b06570
文 JST客觀日本編輯部翻譯編輯
