就像制作一顿美餐需要精心准备食材一样,生产更好的绿色能源也需要正确的材料和方法。近日,由中英学者组成的研究团队发现了优化太阳能燃料生产的新方法。

氢是一种二氧化碳“零排放”能源,可以利用太阳能从水中生产,在缓解气候危机方面潜能巨大。

从水中制氢的过程被称为“水裂解”,因为在此过程中,水被裂解成了两种元素——氢和氧。水裂解需要半导体光催化剂——一种能吸收太阳光,并利用其能量进行裂解的物质或化合物。然而,用于水裂解的光催化剂效率良莠不齐。

因此,研究团队创新地组合了各类方法和材料,制成了全新的光催化剂,能够提升产氢效率。

西交利物浦大学理学院的Graham Dawson博士是该项目西浦研究团队的负责人。他解释道:“我们使用特殊的混合法,向光催化剂中添加金或氮化硼等材料,提升了对光的吸收量。”

“吸收的光越多,适合水裂解的能量就越多,产生的氢也就越多。”他说。

寻找最佳材料

西浦硕士毕业生赵亚楠以第一作者的身份参与了该团队近期的一项研究。她在西浦取得高级化学硕士学位后,获得了北达科他大学的全额奖学金,已赴美攻读博士学位。

赵亚楠说,改进目前常见的光催化剂材料,能够帮助克服这些材料自身的局限性。二氧化钛是最广泛使用的光催化剂之一。

“二氧化钛能直接利用太阳的能量,污染小到可以忽略不计,在太阳能相关技术的发展中展现出巨大的潜力。”她解释道,“但是只有紫外线才能激活二氧化钛,而前者仅占阳光的7%。二氧化钛无法吸收可见光的能量。”

研究人员发现,在一种二氧化钛中加入氮化硼,就能制备一种新的光催化剂,可以吸收紫外线以外更多波长的能量。氮化硼是硼和氮的化合物,导电性良好,能承受高达2000摄氏度的高温。

赵亚楠解释了这一过程:“为了制备复合光催化材料,我们把氮化硼和钛酸盐纳米管结合在一起,后者是一种管状结构,尺寸以纳米为单位衡量——一纳米等于十亿分之一米。”

“通过优化氮化硼和钛酸盐纳米管的配比,并运用化学工艺将化合物结合起来,我们制备了一种非常稳定的复合光催化剂。它能够吸收更广范围波长的光,与传统物理混合法制备的催化剂相比,产氢量更高。”

该项研究成果发表于国际学术期刊《应用表面科学》(Applied Surface Science),点击这里阅读全文。

金纳米粒子的作用

在另一项研究中,Graham Dawson博士的团队发现了提高水裂解过程中光催化效率的其他选择。

团队发现,用特定尺寸的金纳米粒子覆盖某种光催化结构的表面,能够提高光吸收量。

西浦博士生赵仕琪是该项研究的第一作者。他解释说:“光催化剂的结构十分重要。在研究过程中,我们使用了两种形态的光催化剂纳米结构——纳米片和纳米管。”

“我们用不同大小的金粒子包裹光催化剂,观察哪种组合能从水中产生更多的氢。结果表明,在所有实验材料中,小而均匀的金粒子包裹的纳米片有着最好的光催化效果。相比普通纳米管,这种被金覆盖的纳米结构,在光催化制氢性能方面高出36倍。”

“这就为如何使用金纳米粒子改善半导体光催化材料提供了新见解,在光催化制氢、太阳能电池和光学传感器领域有着宝贵的应用价值。”赵仕琪总结道。

该项研究成果发表于国际学术期刊《光学材料》(Optical Materials),点击这里阅读全文。

(记者:王璐谣 Catherine Diamond 翻译:韩香音 编辑:石露芸)

 

 

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