研究簡(jiǎn)介：綠色植物的光合作用會(huì )產(chǎn)生氧氣，但隨著(zhù)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，導致氧氣的量越來(lái)越少，那么電解水時(shí)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(gè)極其穩定的分子，要實(shí)現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(shí)現了在水溶液中應用光電化學(xué)技術(shù)的NiO-RuRe混合光電陰極對二氧化碳進(jìn)行光電還原，并且結合使用CoOX/TaON光電陽(yáng)極驅動(dòng)水的氧化，首次開(kāi)發(fā)了一種結合可見(jiàn)光驅動(dòng)CO2的還原，將水氧化為一氧化碳和氧氣。

Unisense微電極系統的應用

應用了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(shí)驗過(guò)程中的氧氣測試相應非?？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(jìn)行兩點(diǎn)校正。使用微電極系統直接測試了電解水中的氧氣濃度。

實(shí)驗結果

開(kāi)發(fā)了一種NiO-RuRe混合光電陰極對二氧化碳進(jìn)行光電還原，并且結合使用CoOX/TaON光電陽(yáng)極構建光電化學(xué)電池來(lái)驅動(dòng)水的氧化。該光化學(xué)電池在水溶液中應用可見(jiàn)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)電池能夠應用可見(jiàn)光實(shí)現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、結合新型光催化劑實(shí)現對于水的電解產(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(yáng)極則將水氧化轉換為氧氣。

圖2、NiO-RuRe材質(zhì)的光陰電極經(jīng)過(guò)波長(cháng)為460nm的光照射后，產(chǎn)生的氣體的量與時(shí)間的關(guān)系。相關(guān)氣體的檢測是使用了氣相色譜系統，從圖中可以看出，隨著(zhù)時(shí)間的增加，光催化電解水制氧過(guò)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(jìn)行光電化學(xué)還原二氧化碳的效率。其中的d表示的是沒(méi)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(shí)，在進(jìn)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(shí)，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(guò)程中產(chǎn)生的CO的過(guò)程，其中左右兩圖的區別一個(gè)是使用常規的CO2和NaHCO3、另一個(gè)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(guò)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(yáng)極為CoOx/TaON的混合光電化學(xué)的電流隨時(shí)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(shí)間的變化情況分析，其中的紅線(xiàn)表示的是氧氣濃度的變化，虛線(xiàn)表示的是體系中生成的電子的隨時(shí)間的變化情況分析。

總結

水的氧化通常來(lái)說(shuō)都是屬于很難實(shí)現，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)子轉移以及O-O鍵的生成，同時(shí)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(kāi)發(fā)了一種新的復合光催化劑材料制備的光陰極和光陽(yáng)極實(shí)現了對水的氧化，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(shí)現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系統氧微電極測試，兩種方法相結合測試，能夠準確的測試出整個(gè)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(shuō)明unisense的微電極在電化學(xué)制氧的領(lǐng)域也存在著(zhù)很好的應用前景。