光解水制氢新进展:日本科学家开发出一种新型光催化剂高效转化清洁燃料

随着化石燃料的枯竭和地球因燃烧化石燃料而面临的环境问题,开发清洁能源发电技术成为全球关注的话题。在所提出的各种产生清洁能源的方法中,光催化分解水技术具有广阔的应用前景。最近日本科学家开发出一种新型光催化剂,具有极高的制氢效率。光解水制氢方法利用太阳能将水(H2O)分子分解得到氢(H2)。然后,H2可以作为无碳燃料或作为生产许多重要化学品的原料。

现在,东京工业大学一研究小组开发出了一种由纳米级金属氧化物片和钌染料分子组成的新型光催化剂,其工作机理与染料敏化太阳能电池类似。虽然对水分解为H2和O2具有光催化活性的金属氧化物具有宽的带隙,但染料敏化氧化物可以利用可见光。新型光催化剂能够以每小时1960次的周转频率和2.4%的外部量子产率从水中产生H2。这些结果是染料敏化光催化剂在可见光下的最高记录,这离人工光合作用目标更近了一步–复制利用水和阳光可持续生产能源的自然过程。

光解水制氢:日本科学家开发出一种新型光催化剂
由纳米级金属氧化物片和钌染料分子组成的新型光催化剂可以利用可见光从水中产生H2

该研究报道的新材料是由高表面积的铌酸钙纳米片(HCa2Nb3O10)与作为H2-演化位点的铂(Pt)纳米簇交错构成。然而,铂改性纳米片并不能单独发挥作用,因为它们不能有效地吸收太阳光。因此,可见光吸收的钌染料分子与纳米片相结合,实现了太阳能驱动的氢演化。

光解水制氢:日本科学家开发出一种新型光催化剂
这是在钌染料/ HCa2Nb3O10纳米片上可见光驱动的H2演化的例证

该材料之所以高效,是因为采用了纳米片,可以通过层状HCa2Nb3O10的化学剥离获得纳米片。纳米片的高表面积和结构柔韧性最大限度地提高了染料负载和H2演化位点密度,从而提高了H2演化效率。同时,为了优化性能,该研究团队还用非晶氧化铝对纳米片进行了改性,这在提高电子传输效率方面发挥了重要作用。史无前例的是,纳米片的氧化铝改性在反应过程中促进了染料的再生,而不妨碍电子从激发态染料注入纳米片,这是染料敏化H2演化的主要步骤。

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直到现在,人们还很难通过使用染料敏化光催化剂在可见光下通过将水整体分解来实现H2的分解。该研究新结果清楚地表明,利用精心设计的分子-纳米材料混合体确实可以实现这一目标。

还需要做更多的研究,因为需要进一步优化混合型光催化剂的设计,以提高其效率和耐久性。光催化水分解可能是满足社会能源需求而又不进一步损害环境的重要手段,而像这样研究是实现绿色未来目标的重要基石。

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