纳米光催化剂首现量子限域效应 实现可见光分解水制氢

过份依赖燃烧化石燃料导致气候变迁，寻找清洁的替代能源刻不容缓。而运用太阳能将水分解，环保地生产出高能量密度的氢作为燃料，正是热门研究之一。由香港城市大学（香港城大）和德国学者共同领导的一个研究团队，首次在具有三维有序结构的一种光催化剂材料中发现量子限域效应，令该材料由本来不能产生氢气，变成在结合可见光的情况下，竟能从水分解出氢气和氧气，为材料赋予制氢的新功能。此发现为应对能源和环境问题，提供了解决方案。

该研究由香港城大能源及环境学院（SEE）副教授吴永豪博士，以及德国的学者共同领导。有关研究成果已在科学期刊《ACS Energy Letters》上发表，题为〈Unveiling Carrier Dynamics in Periodic Porous BiVO4 Photocatalyst for Enhanced Solar Water Splitting〉。

本来只产氧的光催化剂新增产氢功能

吴博士是研究光催化的专家。他指出，一般用于分解水的光催化剂只能吸收光谱中的紫外光，但那只占太阳光大约4%的能量。而钒酸铋（BiVO4）是一种对可见光及紫外光都有反应的氧化金属光催化剂，令可吸收的太阳光光谱大增至约30%。当中，以具有三维有序大孔结构（3D-ordered macroporous, 3DOM）的钒酸铋的光催化效果最佳，许多研究都将原因归于有序及呈孔状的结构提供了更大的表面积丶更能吸收光丶抑制电荷重组，因此提升了光催化的活性。

研究团队探究了图中黄色的钒酸铋材料，在不同结构时的载流子动力学。

不过，对于光活性如何受高度有序孔状纳米结构中的电荷传输所影响，科学界似乎未有系统性的研究。就此，研究团队探究了钒酸铋在3DOM结构，和片状时的载流子动力学（carrier dynamics），及其在光催化水分解过程中的效能。

团队发现对比起片状，钒酸铋具3DOM结构时，在可见光的照射下分解水会产生接近多出两倍的氧气，阳极光电流密度（anodic photocurrent density）亦更高，因此具有更高的光催化效能。吴博士进一步说：”更令人意外的发现是，本来用以生产氧气的钒酸铋，原来在3DOM结构时照射可见光，从水不但可产生氧，还可产生氢，这是从未被报导过的。“

首次发现量子限域效应

那为什么3DOM结构的钒酸铋可以产氢呢？论文的第一作者兼吴博士实验室能源项目负责人吴昊博士，点出这项研究的新颖发现说：”我们发现在3DOM钒酸铋只有5纳米的超薄结晶内壁，出现了量子限域（Quantum confinement，即当材料的体积缩小至纳米级别时，能级和带隙会出现变化），因此提高了导带（conduction band）能级位置，促成生产氢气的还原反应，所以这种光催化剂才在可见光的照射下，由水分解出氢气。“

吴永豪博士补充说：”一般钒酸铋因为导带位置的关系，是不能生产出氢气的。现时归功于量子限域效应，提高了导带能级位置才可以产氢。这也是科学界首次发现3DOM结构钒酸铋的量子限域效应。“

团队更发现无需使用助催化剂（cocatalyst），3DOM结构钒酸铋於可见光照射下，仍然可以从实验所用的溶液中生产出氢气，而片状的钒酸铋则几乎毫无产量。助催化剂是协助催化剂发挥作用的物质，活性很低，作用一般是捕获电子丶促进载流子分离等。

另外，团队也使用了时间分辨微波传导技术（time-resolved microwave conductivity），进一步分析3DOM结构的钒酸铋，发现与片状的钒酸铋相比，3DOM结构的电荷迁移率提升了接近6倍丶电荷载流子的寿命延长了近18倍丶电荷的有效扩散距离也增加了约9倍，提高了光催化效率。

下一目标︰分解废水

吴永豪博士的团队在开发高效光催化系统方面拥有丰富的经验，而这项研究更可谓是了解金属氧化物半导体，和高度有序多孔结构中电荷传输的重要一步。

他们的下一个目标是分解废水，并且探索扩大光催化系统规模的方法。吴永豪博士总结说：”太阳能水分解不会造成碳排放，能够环保地产氢。而所得的氢气就可以用于燃料电池发电或工业。我们相信此技术在未来的应用会更广泛，因为市场对氢的需求甚大。”获取更多前沿科技 研究进展 访问：https://byteclicks.com

这项研究获得香港研究资助局和深圳市科技创新委员会的资助而进行。