太陽能是取之不盡用之不竭的綠色能源。按太陽光的能量密度計算，只要陽光照射地面1小時，就可以滿足地球上1年所需的能量消耗。因此，面對當前的全球能源危機，吸收、儲存、利用太陽能無疑是一條最有希望的途徑。

圖1. 董紹俊院士(TWAS)課題組設計的基于H2O/H2O2/O2自循環的生物雜化光電化學池。

對于太陽能的利用，大自然早為我們做出了巧妙而有效的提示，即自然界的光合作用。例如，通過模擬光合作用，太陽能可以被固定在高能量密度燃料分子的化學鍵中，隨后在燃料電池中二次利用產生電能，從而供應人類日常的生產和生活使用 (圖1)。盡管這一設想十分美好，但是在實際應用過程中，光合成太陽能燃料及其二次利用卻困難重重。一方面，這種分步式的“太陽能—燃料” (圖2a) 和“燃料—電能” (圖2b) 的轉換步驟十分繁瑣，其伴隨的燃料提純、運輸過程導致巨大的能量損失；另一方面，這一過程需要一系列昂貴而復雜的儀器設備配合才能實現。在這種情況下，發展一種簡單的方法實現綠色、方便的“太陽能—燃料—電能”轉換十分重要。

圖2. 分步式的“太陽能—燃料”(a)和“燃料—電能”(b)轉換的示意圖。

近日，中國科學院長春應用化學研究所董紹俊院士(TWAS)課題組提出了一種基于H2O/H2O2/O2自循環的生物雜化光電化學池 (Bio-hybrid photoelectrochemical cell, BPEC)，通過在單室內協同耦合光電化學H2O2生成和生物電化學H2O2消耗，實現了直接和可持續的“太陽能—燃料—電能”轉化(圖3)。

此外，在BPEC運行過程中，H2O2的生成和消耗促使H2O、H2O2、O2分子在BPEC內部形成動態自循環，無需外加燃料或犧牲試劑，從而使該BPEC本質上清潔、簡單、安全且經濟高效。在1個太陽輻射強度下，該BPEC能夠提供0.18 mW cm–2的功率輸出，且在海水電解質中表現出同樣優越的性能。

圖3. 基于H2O/H2O2/O2自循環的BPEC實現“太陽能—燃料—電能”轉換。 如圖3所示，在光激發下，Mo:BiVO4光陽極上發生雙電子H2O氧化，生成H2O2；H2O2隨后被轉移至生物陰極，并在生物陰極表面被還原為H2O。由此，BPEC中H2O/H2O2的循環被建立。

此外，為了應對光陽極表面H2O2生成的法拉第效率不足100%的情況（即光陽極表面存在不可避免的O2析出），在生物陰極上，Co/CNTs既作為高導電性的多孔基底，又作為O2還原的功能性催化劑，催化O2還原生成H2O2(n = 2.6)，從而明確定義了該BPEC中高效的H2O/H2O2/O2自循環。

該BPEC不僅結構簡單、操作方便，而且無需犧牲任何化學成分即可將太陽能直接和可持續地轉化為電能。該工作代表了一種可控的太陽能利用新方法，并且可以進一步為簡單、可擴展和經濟高效的“太陽能—電能”轉換提供實用的研究模型。







審核編輯：劉清