第一作者：Pengtao Xu、Tian Huang
通讯作者：Thomas E. Mallouk、阎云
通讯单位：宾夕法尼亚州立大学、北京大学
研究亮点：
1. 通过原子层沉积策略构建染料敏化光电化学电极，增强了光阳极的水氧化稳定性
2. 将电极内部的可见光吸收和氧化水两个过程在空间上分割开来，实现了持续稳定高效的光电流。
模拟自然界光合作用，实现太阳能的转化，是解决人类面临的能源危机和环境问题的有效途径之一。而水的氧化过程因涉及四个电子氧化需要较大的活化能垒，是人工光合作用的一个关键步骤。
2009年，Thomas E. Mallouk教授首次提出了利用可见光分解水的染料敏化光电化学电池（Water-splittingdye-sensitized photoelectrochemical cells，WS-DSPEC）的概念: 通过制备高比表面积的TiO2或SnO2等金属氧化物电极，吸附染料分子敏化剂和氧化水的催化剂，实现类似自然界光合作用系统Ⅱ的水氧化过程。
通过多年来众多科研工作者的研究，改进催化剂和电极的结构等能实现较高效的水分解。但传统WS-DSPEC中吸附在氧化物表面的染料分子直接与水接触，电极在水中的稳定性很差，通常在几分钟之内光电流会迅速衰减，主要原因是吸附在电极上的染料敏化剂对水溶液pH很敏感。
虽然偏碱性环境更有利于氧化水，但当溶液pH超过5时，染料的脱附会造成电极性能极速衰减。利用原子层沉积（Atomic layer deposition, ALD）的技术将吸附的染料敏化剂直接包覆起来构筑一个“mummy”电极，虽然可以减少染料敏化剂的脱附，得到稳定的光电流，但从敏化剂分子到金属氧化物的电子注入产率会大大降低，无法得到较大的光电流。
有鉴于此，宾夕法尼亚州立大学Thomas E. Mallouk教授和北京大学阎云教授团队报道了一种在中性水环境中构建稳定WS-DSPEC的策略。
图1. 固态染料敏化太阳能电池作为“buried junction”在可见光光照下分解水
研究人员先基于TiO2介孔层，吸附N3染料分子作为敏化剂， spiro-OMeTAD作为空穴传输层等构筑了ss-DSSC， 通过ALD方法在该电池表面沉积2 nm厚度的致密TiO2层，可实现ss-DSSC在水中较好的稳定性。
图2. 有/无ALD保护的ss-DSSC在水溶液中的光电性能
通过电沉积的方法在有ALD保护的固态电池上沉积IrOx纳米颗粒作为氧化水的催化剂后，可实现1.43 mA cm-2的光电流（0.62 V vs Ag/AgCl，100 mWcm-2 氙灯, 410 nm long-pass filter, AM 1.5filter），持续1 h后，仍能保持71.4%的光电流。
同时，研究人员利用ss-DSSC中镀金层作电极，运用双工作电极的方法，探索了该ss-DSSC在WS-DSPEC中分解水的机理，发现实验所测的J-V 曲线与通过测试FTO和Au电极电势所计算出的J-V曲线能很好的重合，说明ss-DSSC是作为一个“buried junction”，其性能不受所处水环境中电解质等的影响。
图3. ss-DSSC/ALD/IrOx构筑的WS-DSPEC氧化水性能测试及机理研究
总之，该研究为设计稳定的染料敏化光阳极提供了新的策略。
参考文献：
P. Xu,T.Huang, Y. Yan, andT. E.Mallouk et al. Dye-sensitized photoelectrochemical water oxidation through aburied junction.PNAS 2018.
DOI: 10.1073/pnas.1804728115
http://www.pnas.org/content/early/2018/06/13/1804728115
