[發明專利]聚合物修飾類囊體工作電極及其制備方法、三電極體系及其應用

在審

• 申請號: 201710573848.7
• 申請日: 2017-07-14
• 公開（公告）號: CN107403696A
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發明（設計）人: 王樹;周鑫;呂鳳婷;劉禮兵
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所
• 主分類號: H01G9/04
• 分類號: H01G9/04;H01G9/042;C08G61/10
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司11283
• 代理人: 嚴政,劉依云

技術領域

本發明涉及光電轉換領域，具體涉及聚合物修飾類囊體工作電極及其制備方法、三電極體系及其應用。

背景技術

隨著化石燃料的日益枯竭以及環境污染日益加劇，開發利用清潔能源變得越來越迫切。太陽能因其潔凈無污染并且可持續利用，因此有著廣闊的發展前景。目前，對太陽能的利用主要包括三個方面：光熱轉換、光電轉換和光化學轉換。綠色植物的光合作用就是一個光化學轉換過程。類囊體是光合作用中光反應的場所，可以將光能轉化為化學能儲存在ATP和NADPH中。在光照條件下，光合色素吸收光能并將能量傳遞給光合反應中心，驅動水分解生成電子，通過電子傳遞和光合磷酸化合成ATP和NADPH。如果把類囊體修飾到電極上，在合適的偏壓下電極可以作為良好的電子受體，接受電子傳遞鏈的電子形成光電流，將光能轉換為電能。提高光電轉換效率的因素主要包括兩方面：改善類囊體和基底(電極基底)的連接從而提高電子轉移速率和提高類囊體的光能利用率來加速光反應速率。目前，研究工作主要集中在改善類囊體和電極的連接，提高電子轉移速率。但是在現有技術中還沒有兼具改善類囊體和電極的連接，以及光能利用率，從而提高光電轉換效率的方法。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術存在的光電轉換效率低的缺陷，一方面類囊體與基底的連接不好，導致電子轉移速率低；另一方面類囊體的光能利用率低，導致光反應速率低，提供聚合物修飾類囊體工作電極及其制備方法、三電極體系及其應用，該聚合物修飾類囊體工作電極具有良好的光電轉化率，改善了類囊體與基底的連接，提高了類囊體的光能利用率低。

為了實現上述目的，本發明第一方面提供一種聚合物修飾類囊體工作電極，包括基底、由式(I)所示結構單元形成的聚合物，以及類囊體，其中，所述由式(I)所示結構單元形成的聚合物的數均分子量為8.0×10³至2.0×10⁴，分布指數為1至2，

優選地，所述由式(I)所示結構單元形成的聚合物的數均分子量為1.0×10⁴至1.8×10⁴，分布指數為1至1.25。

優選地，每0.25cm²的基底表面，含有所述由式(I)所示結構單元形成的聚合物的摩爾量為5×10^-4至2×10^-3μmol，以及含有類囊體的質量為1至2μg。

優選地，在所述基底的部分表面上依次形成有聚合物層以及類囊體層。

本發明第二方面提供上述的聚合物修飾類囊體工作電極的制備方法，該方法包括以下步驟：

(1)制備類囊體懸浮液；

(2)在基底的至少部分表面上涂布由式(I)所示結構單元形成的聚合物的溶液，并晾干，在所述基底上得到聚合物層；

(3)在所述聚合物層的表面上涂布步驟(1)得到的類囊體懸浮液，并晾干，在所述聚合物層上得到類囊體層；

(4)在所述類囊體層的表面上涂布溶劑，并晾干。

本發明第三方面提供一種三電極體系，包括上述的聚合物修飾類囊體工作電極，對電極和參比電極。

本發明第四方面提供了上述的三電極體系在光化學轉換中的應用。

本發明通過使用由式(I)所示結構單元形成的聚合物(PFP)，改善了類囊體與基底的連接，使用PFP可以通過靜電作用與類囊體結合，改善類囊體和基底之間的界面接觸。同時，PFP可以提高電極和類囊體間的電子傳遞速率，可以通過熒光共振能量轉移(FRET)將吸收的光能轉移給類囊體進行光反應，提高光能利用率，加速光反應速度。由此，通過使用PFP修飾類囊體得到的工作電極不僅改善了類囊體與電極間的界面接觸(也即類囊體和電極的連接)，而且提高了電子轉移速率和光能利用率，達到了提高光電轉換效率的效果。

附圖說明

圖1為PFP和類囊體的紫外可見發射光譜和熒光光譜圖；

圖2為PFP和類囊體的FRET熒光光譜圖；

圖3為工作電極的放氧速率圖；

圖4為工作電極的光電響應圖；

圖5為DCMU影響工作電極的光電響應圖；

圖6為光合有效輻射動作光譜圖；

圖7為在碳紙上修飾PFP和類囊體的電鏡成像圖；

圖8為光照和黑暗條件下工作電極的交流阻抗譜。

具體實施方式