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日本光解水-科學(xué)家解讀光解水最新進(jìn)展
發(fā)布時間：2022-11-02 瀏覽量：2054
日本信州大學(xué)超材料研究計(jì)劃教授、東京大學(xué)教授堂免一成 （Kazunari Domen）在世界頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》上公布最新研究稱，經(jīng)過一系列降低副反應(yīng)的設(shè)計(jì)，摻雜鋁的鈦酸鍶（SrTiO3）在紫外線下催化光解水的量子效率已經(jīng)達(dá)到了96%以上。
值得一提的是，早在1980年，堂免一成 （Kazunari Domen）發(fā)表了第一篇用鈦酸鍶來催化光分解水、產(chǎn)生氫氣的論文。這表明了在這一領(lǐng)域取得研究成功所花費(fèi)時間竟接近40年。
論文中指出，太陽光中強(qiáng)度最高的部分是可見光，并非紫外線。鈦酸鍶因此很難真正進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用。不過，作為一種模型，堂免一成團(tuán)隊(duì)的結(jié)果令人鼓舞，提出的改進(jìn)效率設(shè)計(jì)也可能適用于可見光光催化劑。
研究表明，如果太陽光催化分解水的效率達(dá)到10%，就能具備經(jīng)濟(jì)上的競爭力。但是，光催化半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)換效率通常遠(yuǎn)低于10％。這是因?yàn)楣獯呋^程非常復(fù)雜，并且要求半導(dǎo)體顆粒具有多種特性的組合。
此前最常見的方法是用太陽能電板發(fā)電，再用電分解水。
去年，青年汽車“水氫發(fā)動機(jī)”的新聞在輿論場鬧得沸沸揚(yáng)揚(yáng)，大家紛紛質(zhì)疑“水變油”的現(xiàn)實(shí)可行性，而這個加水就能跑的汽車，其實(shí)還加了還加了鋁合金。
值得一提的是，這次日本科學(xué)家也用到了鋁，但鋁是作為催化劑的一種成分，而非反應(yīng)物，可以反復(fù)使用。
為了衡量催化劑光解效率，科學(xué)家們定義了2個物理量：內(nèi)部量子效率（IQE）和外部量子效率（EQE）。而日本科學(xué)家做到了EQE≈96%，證明了IQE接近100%，被水吸收的光子幾乎沒有浪費(fèi)，全部被用來分解水分子了。
是什么神奇的材料又是如何做到如此高的效率呢？
研究人員選擇的初始材料，是鈦酸鍶（SrTiO3）。
這是一種特性良好的光催化劑，通過吸收紫外線來產(chǎn)生電子-空穴對。
該日本團(tuán)隊(duì)使用的鈦酸鍶早在1977年就被報(bào)道過，是人們發(fā)現(xiàn)的最早一批光解水材料。這次，他們使用了多種方法來解決電荷復(fù)合問題：一是提高光催化劑顆粒的結(jié)晶度，從而減少晶格缺陷；二是在晶格中摻雜少量鋁原子，從而減少晶格中的化學(xué)缺陷。這些缺陷都可能成為電子和空穴復(fù)合的地方。
研究團(tuán)隊(duì)選擇性地在不同的小平面上沉積合適的助催化劑，以促進(jìn)電子收集表面上氫氣的產(chǎn)生，收集空穴的面產(chǎn)生氧。
最后，研究團(tuán)隊(duì)還將用于制氧反應(yīng)的銠催化劑包裹在鉻化合物中進(jìn)行保護(hù)，從而避免不必要的氧還原反應(yīng)。
據(jù)論文報(bào)道，經(jīng)測定，在350nm、360nm、365nm紫外波段處，鋁摻雜鈦酸鍶的外部量子效率分別達(dá)到了95.7%、95.5%和91.6%。
這是目前光解水催化劑達(dá)到的最高效率。
在370nm和380nm處，外部量子效率值分別下降至59.7%和33.6%，這是光吸收率下降的結(jié)果，也可能因?yàn)樵谶@些波段，內(nèi)部量子效率較低。
而這也就意味著，在350-360nm這個波段，該光催化劑的內(nèi)部量子效率已經(jīng)接近100%——理論上最強(qiáng)的光催化劑，內(nèi)部量子效率即為100%。
但是，因?yàn)?50-360nm波長范圍內(nèi)的光屬于紫外線，并不是太陽光中高強(qiáng)度的部分。
因此，指望鈦酸鍶來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的水制氫并不現(xiàn)實(shí)。這項(xiàng)研究的主要意義在于令我們理解哪些因素會降低催化效率，并探索一些減少催化損耗的機(jī)制