研究簡介：綠色植物的光合作用會產(chǎn)生氧氣，但隨著近幾年人們對綠色植物的大量砍伐，水土流失嚴重，破壞了大氣中二氧化碳和氧的平衡，導(dǎo)致氧氣的量越來越少，那么電解水時產(chǎn)生的氧氣就引起了科研工作者的關(guān)心。水的裂解由兩部分組成，包括水的氧化和還原。水是一個極其穩(wěn)定的分子，要實現(xiàn)水的裂解需要較大的（113.38 kcal/mol）的自由能。本論文作者研究了一種Ru(Ⅱ)-Re(Ⅰ)配合物催化劑的高效實現(xiàn)了在水溶液中應(yīng)用光電化學(xué)技術(shù)的NiO-RuRe混合光電陰極對二氧化碳進行光電還原，并且結(jié)合使用CoOX/TaON光電陽極驅(qū)動水的氧化，首次開發(fā)了一種結(jié)合可見光驅(qū)動CO2的還原，將水氧化為一氧化碳和氧氣。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

應(yīng)用了unisense的克拉克型氧氣微電極（OX-N）測試光催化分解水產(chǎn)氧的濃度，其中實驗過程中的氧氣測試相應(yīng)非?？欤?s），其中氧氣微電極的校準是使用飽和氮氣水和飽和空氣水中進行兩點校正。使用微電極系統(tǒng)直接測試了電解水中的氧氣濃度。

實驗結(jié)果

開發(fā)了一種NiO-RuRe混合光電陰極對二氧化碳進行光電還原，并且結(jié)合使用CoOX/TaON光電陽極構(gòu)建光電化學(xué)電池來驅(qū)動水的氧化。該光化學(xué)電池在水溶液中應(yīng)用可見光在NiO-RuRe材質(zhì)的陰極上高效的催化生成一氧化碳，這表明該光化學(xué)電池能夠應(yīng)用可見光實現(xiàn)對于二氧化碳的還原以及水的氧化生成一氧化碳和氧氣。

圖1、結(jié)合新型光催化劑實現(xiàn)對于水的電解產(chǎn)氧的示意圖。陰極主要是將體系中的二氧化碳還原為一氧化碳，陽極則將水氧化轉(zhuǎn)換為氧氣。

圖2、NiO-RuRe材質(zhì)的光陰電極經(jīng)過波長為460nm的光照射后，產(chǎn)生的氣體的量與時間的關(guān)系。相關(guān)氣體的檢測是使用了氣相色譜系統(tǒng)，從圖中可以看出，隨著時間的增加，光催化電解水制氧過程中陰極端主要是將體系中的二氧化碳還原為一氧化碳。

表1、采用不同材料制成的電極材料進行光電化學(xué)還原二氧化碳的效率。其中的d表示的是沒有光照環(huán)境，e指的是體系中的氣體環(huán)境是氬氣。從表中可以看出，只有選擇NiO-RuRe陰極材料時，在進行光電化學(xué)還原二氧化碳效率最好，而選用單獨的NiO-Ru和NiO-Re陰極材料時，其光電催化還原二氧化碳的效率不好。

圖3、使用GC-MS氣相氣相色譜分析光催化電解水過程中產(chǎn)生的CO的過程，其中左右兩圖的區(qū)別一個是使用常規(guī)的CO2和NaHCO3、另一個是使用了13CO2/Na13CO3,因此可以看出，體系中的一氧化碳的生成主要是通過還原二氧化碳獲得而不是還原NaHCO3.

圖4、左邊的圖表示的是陰極為NiO-RuRe陽極為CoOx/TaON的混合光電化學(xué)的電流隨時間的變化情況。右邊的圖表示的是電解水溶液中的氧氣濃度隨時間的變化情況分析，其中的紅線表示的是氧氣濃度的變化，虛線表示的是體系中生成的電子的隨時間的變化情況分析。

總結(jié)

水的氧化通常來說都是屬于很難實現(xiàn)，這是因為水的氧化涉及到兩分子間多重鍵的重排，多電子和多質(zhì)子轉(zhuǎn)移以及O-O鍵的生成，同時需要非常高的氧化還原電勢。若能找到一種高效的催化劑，降低水氧化所需的能壘，便可使氧氣容易生成。這篇研究論文開發(fā)了一種新的復(fù)合光催化劑材料制備的光陰極和光陽極實現(xiàn)了對水的氧化，并且將二氧化碳還原為一氧化碳和氧氣。這是光催化電解水領(lǐng)域首次實現(xiàn)了以水為還原劑將二氧化碳還原為一氧化碳和氧氣，其中所產(chǎn)生的氧氣采用了氣相色譜法和氧微電極法測試獲得的，光催化電解水溶液中的氧濃度的測試使用了丹麥Unisense系統(tǒng)氧微電極測試，兩種方法相結(jié)合測試，能夠準確的測試出整個電解水催化體系產(chǎn)生的氧氣的濃度，從而能夠準確的判斷出催化劑的催化效率，這說明unisense的微電極在電化學(xué)制氧的領(lǐng)域也存在著很好的應(yīng)用前景。