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納米材料催化光解水析氫原理-陽光下分解水獲得氫氣
發(fā)布時間：2022-11-04 瀏覽量：2020
東京工業(yè)大學(xué)（Tokyo Institute of Technology）的科學(xué)家們開發(fā)了一種由金屬氧化物納米片和吸光分子構(gòu)建的混合材料，用于在陽光下分解水分子以獲得氫氣（H2）。由于H2可以作為無碳燃料使用，該研究為清潔能源的生成提供了相關(guān)的啟示。
隨著化石燃料的枯竭及其燃燒帶來的環(huán)境問題，開發(fā)清潔能源發(fā)電技術(shù)成為全球關(guān)注的話題。在所提出的各種清潔能源發(fā)電方法中，光催化水分解法顯示出很大的前景。這種方法利用太陽能使水分子分解，得到氫氣（H2）。然后，H2可以作為一種無碳燃料或作為生產(chǎn)許多重要化學(xué)品的原料。
現(xiàn)在，東京工業(yè)大學(xué)Kazuhiko Maeda領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)出了一種由納米級金屬氧化物片和釕染料分子組成的新型光催化劑，其工作機理與染料敏化太陽能電池類似。光催化水分解成H2和O2的金屬氧化物具有較寬的帶隙，而染料敏化氧化物可以利用太陽光中的可見光。新型光催化劑能夠從水中生成H2，周轉(zhuǎn)頻率為每小時1960次，外部量子產(chǎn)率為2.4%。
這些結(jié)果是染料敏化光催化劑在可見光下的最高記錄，使Maeda團隊離人工光合作用的目標(biāo)更近了一步。
這種新材料發(fā)表在《Journal of the American Chemical Society》上，是由高表面積的鈮酸鈣納米片（HCa2Nb3O10）與作為H2進化位點的鉑（Pt）納米團簇交錯構(gòu)成的。然而，鉑改性納米片并不能單獨發(fā)揮作用，因為它們不能有效地吸收太陽光。因此，將可見光吸收的釕染料分子與納米片相結(jié)合，實現(xiàn)了太陽驅(qū)動的H2析出。
該材料之所以高效，是因為采用了納米片，可以通過化學(xué)剝落片狀HCa2Nb3O10獲得。納米片的高表面積和結(jié)構(gòu)靈活性最大限度地提高了染料負(fù)載量和H2析出位點的密度，從而提高了H2析出效率。同時，為了優(yōu)化性能，Maed團隊還用非晶氧化鋁對納米片進行了改性，這對提高電子傳輸效率起到了重要作用。"史無前例的是，納米片的氧化鋁改性在反應(yīng)過程中促進了染料再生，而不妨礙電子從激發(fā)態(tài)染料注入納米片，這是染料敏化H2析出的主要步驟，"Maeda說。"一直以來，人們認(rèn)為在可見光下使用染料敏化光催化劑高效地通過整體水分解實現(xiàn)H2析出非常困難，我們的研究結(jié)果清楚地表明，利用精心設(shè)計的分子-納米材料混合體，這確實是可能的。"
后續(xù)還將進行更多研究，進一步優(yōu)化混合型光催化劑的設(shè)計，以提高其效率和長期耐久性。
論文標(biāo)題為《An Artificial Z-Scheme Constructed from Dye-Sensitized Metal Oxide Nanosheets for Visible Light-Driven Overall Water Splitting》。