[发明专利]聚合物修饰类囊体工作电极及其制备方法、三电极体系及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及光电转换领域，具体涉及聚合物修饰类囊体工作电极及其制备方法、三电极体系及其应用。

背景技术

随着化石燃料的日益枯竭以及环境污染日益加剧，开发利用清洁能源变得越来越迫切。太阳能因其洁净无污染并且可持续利用，因此有着广阔的发展前景。目前，对太阳能的利用主要包括三个方面：光热转换、光电转换和光化学转换。绿色植物的光合作用就是一个光化学转换过程。类囊体是光合作用中光反应的场所，可以将光能转化为化学能储存在ATP和NADPH中。在光照条件下，光合色素吸收光能并将能量传递给光合反应中心，驱动水分解生成电子，通过电子传递和光合磷酸化合成ATP和NADPH。如果把类囊体修饰到电极上，在合适的偏压下电极可以作为良好的电子受体，接受电子传递链的电子形成光电流，将光能转换为电能。提高光电转换效率的因素主要包括两方面：改善类囊体和基底(电极基底)的连接从而提高电子转移速率和提高类囊体的光能利用率来加速光反应速率。目前，研究工作主要集中在改善类囊体和电极的连接，提高电子转移速率。但是在现有技术中还没有兼具改善类囊体和电极的连接，以及光能利用率，从而提高光电转换效率的方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的光电转换效率低的缺陷，一方面类囊体与基底的连接不好，导致电子转移速率低；另一方面类囊体的光能利用率低，导致光反应速率低，提供聚合物修饰类囊体工作电极及其制备方法、三电极体系及其应用，该聚合物修饰类囊体工作电极具有良好的光电转化率，改善了类囊体与基底的连接，提高了类囊体的光能利用率低。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种聚合物修饰类囊体工作电极，包括基底、由式(I)所示结构单元形成的聚合物，以及类囊体，其中，所述由式(I)所示结构单元形成的聚合物的数均分子量为8.0×10³至2.0×10⁴，分布指数为1至2，

优选地，所述由式(I)所示结构单元形成的聚合物的数均分子量为1.0×10⁴至1.8×10⁴，分布指数为1至1.25。

优选地，每0.25cm²的基底表面，含有所述由式(I)所示结构单元形成的聚合物的摩尔量为5×10^-4至2×10^-3μmol，以及含有类囊体的质量为1至2μg。

优选地，在所述基底的部分表面上依次形成有聚合物层以及类囊体层。

本发明第二方面提供上述的聚合物修饰类囊体工作电极的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)制备类囊体悬浮液；

(2)在基底的至少部分表面上涂布由式(I)所示结构单元形成的聚合物的溶液，并晾干，在所述基底上得到聚合物层；

(3)在所述聚合物层的表面上涂布步骤(1)得到的类囊体悬浮液，并晾干，在所述聚合物层上得到类囊体层；

(4)在所述类囊体层的表面上涂布溶剂，并晾干。

本发明第三方面提供一种三电极体系，包括上述的聚合物修饰类囊体工作电极，对电极和参比电极。

本发明第四方面提供了上述的三电极体系在光化学转换中的应用。

本发明通过使用由式(I)所示结构单元形成的聚合物(PFP)，改善了类囊体与基底的连接，使用PFP可以通过静电作用与类囊体结合，改善类囊体和基底之间的界面接触。同时，PFP可以提高电极和类囊体间的电子传递速率，可以通过荧光共振能量转移(FRET)将吸收的光能转移给类囊体进行光反应，提高光能利用率，加速光反应速度。由此，通过使用PFP修饰类囊体得到的工作电极不仅改善了类囊体与电极间的界面接触(也即类囊体和电极的连接)，而且提高了电子转移速率和光能利用率，达到了提高光电转换效率的效果。

附图说明

图1为PFP和类囊体的紫外可见发射光谱和荧光光谱图；

图2为PFP和类囊体的FRET荧光光谱图；

图3为工作电极的放氧速率图；

图4为工作电极的光电响应图；

图5为DCMU影响工作电极的光电响应图；

图6为光合有效辐射动作光谱图；

图7为在碳纸上修饰PFP和类囊体的电镜成像图；

图8为光照和黑暗条件下工作电极的交流阻抗谱。

具体实施方式