H₂-O₂燃料电池能将氢气直接高效转化为可广泛应用的电能，同时产生对人类生存环境友好的水分子，是先进可持续清洁能源体系发展的重要方向之一。其中，阴极的ORR是H₂-O₂燃料电池的控速反应（尤其对质子膜燃料电池PMFC），直接关系到整个电池的开路电位和输出功率。贵金属铂是ORR最好的催化剂，但是较高的成本严重制约了燃料电池技术的发展和商业化进程。为了解决这个问题，世界范围内大量的研究者致力于开发替代Pt或降低Pt用量的催化剂，如Pt合金、Pt核壳结构催化剂、C基催化剂等，但截至目前，催化ORR的过电位仍然需要至少0.2 V左右。因此，发展降低O₂活化过电位和提高ORR反应活性的新催化策略和新思路依然十分重要。

在本篇文章中，李灿院士团队将光催化引入ORR，从图1a的线性扫描伏安法曲线(linear sweep voltammetry LSV曲线)图中可以发现，在氧气饱和的0.1 M KOH电解质中，当采用聚合物半导体光催化剂时，光照可显著促进ORR的电催化活性，起始电位由0.66 V正移到1.34 V（远远超过商业铂催化剂的1.0 V），且电流在0.6 V时增大了44倍。图1b中显示双氧水H₂-O₂的产率近100%、电子转移数为2，这就表明，在光照条件下，ORR是一个二电子转移的过程。光催化ORR活性增强也在其它不同电解质中得到验证。

图 1. a, LSV曲线; b, H₂O₂的产率、电子转移数

由此构建的光驱动概念型H₂-O₂燃料电池中，光照使燃料电池的开路电压从0.64 V增大到1.18 V，短路电流增大1倍。光催化使半反应ORR和全电池反应的电位分别增大0.68 V和0.54 V，且该电压值与目前研究的大多数聚合物太阳能电池的电压（0.6-0.8 V）相接近。光驱动概念型H₂-O₂燃料电池可被认为是聚合物太阳能电池和H₂-O₂燃料电池叠层耦合的结果。

光促进分子氧还原的机理可能是光激发聚合物的电子从价带到导带，导带上激发态的电子具有足够的电势转移填充到氧分子的反键轨道（2p*，2s*），从而使氧还原反应更加容易。

图 2. a, 串联电池的工作原理；b, 氧还原反应的能量示意图

总结

李灿院士团队发现光催化可以显著促进氧还原反应催化活性，并基于此提出了聚合物太阳能电池和H₂-O₂燃料电池耦合的叠层电池概念。将光催化引入ORR，该研究结果为解决燃料电池ORR反应动力学问题开拓了新的思路，显示出潜在的应用价值。