氫氣是一種高效、清潔的新型能源載體，利用太陽能分解水制氫對於人類應對環境以及能源問題具有重要價值。近期，
大連理工大學精細化工國家重點實驗室孫立成院士團隊在太陽能燃料和太陽能電池前沿基礎科學研究領域取得了一系列重要進展。
孫立成，物理化學家。瑞典皇家工學院分子器件講席教授，大連理工大學特聘兼職教授。長期致力於太陽能燃料與太陽能電池科學前沿領域基礎研究，在高效水氧化分子催化劑設計合成、氧-氧鍵形成機理、光解水制氫功能器件設計與製備等方面取得了重要研究成果。2017年當選瑞典皇家工程院院士。2019年當選中國科學院外籍院士。
1.高效分解水催化劑設計、製備新思路
利用太陽能分解水制氫通常由氧化水產氧和還原質子產氫兩個半反應耦合而成，而水氧化半反應（OER）是構建人工光合作用體系的技術瓶頸。受自然界綠色植物和藍藻中光合作用中心附近氨基酸殘基中羧酸官能團的相關作用啟發，團隊李福勝副研究員通過原位電化學沉積方法，將未配位羧酸配體引入到鎳/鐵OER催化劑反應中心周圍，加速質子轉移。電化學測試表明，
NiFeCP/NF表現出優異的電催化OER活性，其過10 mA cm-2電位僅為188 mV，Tafel斜率僅為29 mV dec-1，穩定性良好。該工作為在分子水平理解水氧化反應和催化劑的設計提供了一個新思路，相關成果發表在Nat. Commun.(2019,10, 5074)上。 電催化水氧化對於以間接方式將太陽能轉化為化學能具有重要意義，是實現高效水分解的重要途徑之一。團隊李斐教授利用小分子金屬有機配合物作為前驅體，通過溶劑熱解方式，製備新型碳基複合材料。在有機配體向納米碳轉化過程中，分子亞單元的存在對金屬中心起到有效的限域、分散作用，所得CoFe(OH)x/C介孔材料的析氧過電位大幅降低。這種高性能水氧化催化劑的開發為降低電解水的能耗提供了新的方案（Adv.Sci.,2019,6,1900117）。
團隊侯軍剛教授合成了氮摻雜的碳層包裹氮氧化鎢電催化劑(NC/Vo-WON)，表現出優異的電催化活性，僅在過電位為16mV下獲得10 mA cm-2的電流密度，Tafel斜率僅為33 mV dec-1，穩定性良好(Adv. Energy Mater.,2019,9, 1803693)。因其在三維電催化劑研發方面取得了一系列優秀成果，受邀撰寫綜述文章(Adv.Funct. Mater.,2019,29, 1808367)。為實現高效光催化水分解，侯教授從材料學角度出發，通過鋰化學工藝構築了Z型Vs-ZnIn2S4/WO3二維異質結催化劑，有效調控了Vs-ZnIn2S4和WO3界面間的電荷分離與傳輸，使其體系光催化制氫速率提升到11.09 mmol g-1h-1，大大提高了激發電荷壽命 (Nano Energy,2019,59,537)。
2.高效分解水器件設計及構建新策略
高效分解水制氫分子催化劑如何在太陽能轉換器件中得以應用是本領域所面臨的巨大挑戰，其方法之一是構建分子催化劑和光敏劑負載於寬帶半導體薄膜的染料敏化光電極和光電化學池。李斐教授和美國北卡羅萊納大學
Thomas Meyer教授合作，創新了分子催化劑在界面的組裝方式，將NiO空穴傳輸層嵌入光敏劑和催化劑之間，精準模擬PSII中酪氨酸擺渡電子的功能，優化這一複雜體系的電子傳遞鏈，使光陽極穩定性大幅提升，解決了染料敏化光電極目前所面臨的瓶頸問題，相關成果發表於PNAS,2019,DOI:10.1073/pnas.1821687116。
生物體內維持生命活動的氧化、還原反應大多以水為氫、氧來源。團隊張培立副教授受此啟發，設計構建了一種以水為氫、氧源的電催化有機物同步氧化與還原體系。在陽極實現一種有機物氧化的同時，在陰極實現另一種有機物的還原。以NiBx為工作極，以5-羥甲基糠醛氧化制2,5-呋喃二甲酸為陽極半反應，以對硝基苯酚還原制對硝基苯胺為陰極半反應，耦合構建以水為氫、氧源的全反應電解池。實現了同步的高轉化率、高選擇性催化（≥99%）（Angew. Chem. Int. Ed.2019,58, 9155）。
3.新型太陽能電池的開發
染料敏化太陽能電池（DSSCs）的電子注入能量損耗是阻礙其突破的關鍵問題之一。為此，團隊楊希川教授設計了兩種三聚咔唑光敏劑用於DSSCs，ZL001和ZL003，分別以柔性Z型雙鍵和剛性單鍵連接給體和受體。經動力學研究，ZL003具有更快的電子注入能力，更低的振動弛豫能量損失。ZL003的器件實現了13.6%的光電轉換效率，
是迄今為止單一光敏劑電池的最高記錄，第三方認證效率12.4%，亦是DSSCs目前認證最高效率，相關成果發表在ACS Energy Lett.,2019,4, 943−951上。
高效穩定、成本低廉的空穴傳輸材料的研究和開發對實現鈣鈦礦太陽能電池的商業化具有非常重要的意義。團隊於澤副研究員在前期工作的基礎上，進一步通過分子修飾，
設計合成了酞菁銅衍生物CuPc-Bu和CuPc-OBu。採用非摻雜的CuPu-OBu作為空穴傳輸材料的鈣鈦礦太陽能電池最優取得了17.6%的光電轉換效率，表現出良好的長時間空氣穩定性，該成果發表在Adv. Energy Mater.,2019,9, 1803287上。楊希川教授研究發現分子的平面性會制約成膜性與電荷傳導，通過分子設計，基於二甲氧基三苯胺取代基的吲哚並咔唑核心空穴傳輸材料的鈣鈦礦太陽能電池，不經摻雜便可以取得高達17.7%的光電轉換效率，相關研究成果發表在J. Mater. Chem. A,2019,7, 14835-14841上。
精細化工國家重點實驗室是1989年經國家計劃委員會批准，依託大連理工大學籌建而成，1995年9月通過國家驗收並正式對外開放，在2009年和2014年國家重點實驗室評估中連續兩次獲評優秀。實驗室的研究方向 為染料及其光化學、精細化工新材料、精細化工清潔製備技術，現有固定人員75人，其中包括中國科學院院士2人、中國工程院院士1人、瑞典皇家工程院院士1人、土耳其科學院院士1人（其中，孫立成教授兼任中國科學院外籍院士和瑞典皇家工程院院士）。
實驗室具有2.5萬平方米的集中空間，擁有離子淌度四極杆飛行時間串聯質譜儀、600M全數字化超導核磁共振譜儀、X射線光電子能譜、完全無液氦綜合物性測量系統、飛秒時間分辨光譜測量平臺、激光共聚焦顯微鏡等30萬元以上的先進儀器設備180餘臺套，建有精細化工公共測試平臺、生物分子熒光探針與分子檢測可視化平臺、染料敏化太陽能電池及光解水制氫平臺、精細化工先進合成與催化平臺，以及有機光電材料與器件平臺和數碼噴墨染料中試示範平臺，實行集中統一管理，專管公用，為開展精細化學品的高功能化、綠色化和清潔化的研究工作奠定了基礎，為開展高水平的創新性研究工作提供了強有力的技術支撐。
未來，精細化工國家重點實驗室將繼續依託大連理工大學在相關學科方面的優勢，進一步強化基礎研究和技術創新能力，提升生物分子識別染料、太陽能轉換染料、精細高分子產品及環境友好精細化工新技術等方面的研究水平，積極培育和發展新的學科增長點，在更高的起點上引領和支撐我國精細化工領域的科學創新和產業發展。
注：文章部分素材來自大連理工大學新聞網、大連理工大學精細化工國家重點實驗室
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