H₂-O₂燃料電池能將氫氣直接高效轉化為可廣泛應用的電能，同時產生對人類生存環境友好的水分子，是先進可持續清潔能源體系發展的重要方向之一。其中，陰極的ORR是H₂-O₂燃料電池的控速反應（尤其對質子膜燃料電池PMFC），直接關系到整個電池的開路電位和輸出功率。貴金屬鉑是ORR最好的催化劑，但是較高的成本嚴重制約了燃料電池技術的發展和商業化進程。為了解決這個問題，世界范圍內大量的研究者致力于開發替代Pt或降低Pt用量的催化劑，如Pt合金、Pt核殼結構催化劑、C基催化劑等，但截至目前，催化ORR的過電位仍然需要至少0.2 V左右。因此，發展降低O₂活化過電位和提高ORR反應活性的新催化策略和新思路依然十分重要。

在本篇文章中，李燦院士團隊將光催化引入ORR，從圖1a的線性掃描伏安法曲線(linear sweep voltammetry LSV曲線)圖中可以發現，在氧氣飽和的0.1 M KOH電解質中，當采用聚合物半導體光催化劑時，光照可顯著促進ORR的電催化活性，起始電位由0.66 V正移到1.34 V（遠遠超過商業鉑催化劑的1.0 V），且電流在0.6 V時增大了44倍。圖1b中顯示雙氧水H₂-O₂的產率近100%、電子轉移數為2，這就表明，在光照條件下，ORR是一個二電子轉移的過程。光催化ORR活性增強也在其它不同電解質中得到驗證。

圖 1. a, LSV曲線; b, H₂O₂的產率、電子轉移數

由此構建的光驅動概念型H₂-O₂燃料電池中，光照使燃料電池的開路電壓從0.64 V增大到1.18 V，短路電流增大1倍。光催化使半反應ORR和全電池反應的電位分別增大0.68 V和0.54 V，且該電壓值與目前研究的大多數聚合物太陽能電池的電壓（0.6-0.8 V）相接近。光驅動概念型H₂-O₂燃料電池可被認為是聚合物太陽能電池和H₂-O₂燃料電池疊層耦合的結果。

光促進分子氧還原的機理可能是光激發聚合物的電子從價帶到導帶，導帶上激發態的電子具有足夠的電勢轉移填充到氧分子的反鍵軌道（2p*，2s*），從而使氧還原反應更加容易。

圖 2. a, 串聯電池的工作原理；b, 氧還原反應的能量示意圖

總結

李燦院士團隊發現光催化可以顯著促進氧還原反應催化活性，并基于此提出了聚合物太陽能電池和H₂-O₂燃料電池耦合的疊層電池概念。將光催化引入ORR，該研究結果為解決燃料電池ORR反應動力學問題開拓了新的思路，顯示出潛在的應用價值。