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未来趋势:光解水产氢!

  利用阳光直接从水中制取氢,最主要的障碍是催化剂效率低下。最近有学者制造出一种特别有效的催化剂,有希望解决这个问题。
 

  防止气候变化,寻找化石燃料的“绿色”替代品,已经成为公众广泛关注的话题。尽管公众的认识迅速提高,在寻找成本效益高的技术办法方面却没有进展。氢气作为能源是一个有希望候选者,但是氢气必须用可再生能源来生产。氢气是绿色燃料,因为它的燃烧只产生纯水,但制造氢气也不能用其他有污染的技术。高田等在《自然》杂志上发表了一篇论文,报告了在催化剂设计方面的一项突破,该突破可能会加速利用阳光从水中制取氢的大规模工艺的发展。
 

  可再生能源的最大潜在来源是太阳。地球表面每年只吸收约0.02%的太阳能,就足以覆盖目前的全球能源消耗。因此,许多研究就是希望找到能将太阳能转化为储存在氢中化学能的方法,将水分解成氢和氧就是其重点。一些方法已经在试点设施中进行了测试,比如太阳能转化为天然气的装置,这种装置利用太阳能电池产生电力通过电解分解水。用这种方法产生的氢可以用来长期储存太阳能,或者作为汽车燃料。然而,太阳能转化为天然气的过程在经济上还不可行。
 

  一项关于太阳能生产的技术和经济可行性的研究表明,基于光活化催化剂(光催化剂)的系统是最有吸引力的替代技术。在这些系统中,光催化半导体颗粒悬浮在充满水电解质的床层中;阳光照射在悬浮体上,会产生氢气和氧气。光催化剂能以10%以上的效率将太阳能转化为氢,这类简便性制氢技术就具有工业价值。
 

  不幸的是,光催化半导体的转换效率通常远低于10%。是因为光催化过程非常复杂,需要半导体颗粒具有多种特性能力。它们必须能吸收光线,能生成并分离电子-空穴对;使空穴和电子能够移动到粒子-水界面;催化水产生氢和氧(分别需要电子和空穴的反应)。每一步都可能发生副过程会降低整体转换效率。因此,材料学家试图设计出能将这种效率损失最小化的光催化剂。
 

  衡量光催化剂有效性的一个关键指标是:用来产生氢气的吸收光子的比例,这个数量被称为内部量子效率(IQE)。最完美的光催化剂可将所有吸收光子转化为氢,其IQE值为1(或100%)。然而,IQE本身并不能从实验中确定。检测策略是用可测量的外部量子效率(EQE):光催化剂用来产生氢气的照亮反应容器的光子的比例。EQE值总是低于IQE,因为照明光子的未知部分不会被光催化剂吸收,而被其他过程所吸收,比如散射。如果使用相同实验装置研究类似光催化-粒子悬浮物,确保吸收相同比例的光,那么EQE可以作为IQE间接测量。但使用不同设置确定EQEs不能作为比较光催化系统的IQEs的一种方法,因为EQE和IQE之间的关系对于每种设置都是不同的,因此不同的研究小组很难比较结果。
 

  高田等将重点放在了钛酸锶(SrTiO3)上,这是最早发现的光催化分解水的材料之一,据1977年报道。钛酸锶通过吸收紫外线产生电子-空穴对。因为太阳强度在可见光范围内最高,所以紫外线驱动催化剂不太可能实现大规模可持续氢气生产。然而,钛酸锶是研究光催化剂参数对量子效率(包括EQE和IQE)影响的一个很好模型,因为在这种材料中导致效率损失的机制已经被很好理解,且已经提出了减少损失的策略。
 

未来趋势:光解水产氢!
 

  作者使用了多种方法组合来解决特定损失机制。其中一种机制是电荷重组,即电子和空穴在参与水分裂前进行重组。高田和同事用几种方法抑制重组。第一种方法是提高光催化剂颗粒结晶度,减少晶格缺陷数量。另一种方法是使用铝掺杂来减少晶格中化学缺陷数量——这是一种将少量铝原子加入晶格的过程。这两种方法所以有效,是因为任何缺陷都可作为潜在重组中心。
 

  高田和同事们还利用了这样一个事实,即钛酸锶晶体中的电子和空穴聚集在不同的晶体表面——这一特征进一步抑制了电荷重组。作者选择在切面上沉积合适的共催化剂,以促进电子收集切面上产氢和空穴收集切面上的产氧;这一方法以前曾被其他研究小组建立。最后,作者们通过将铑副催化剂包裹在铬化合物保护壳内来防止不必要的副反应。
 

  这种复杂缓解策略的结合被证明是非常成功的。作者报告说,当他们的光催化剂受到350-360纳米波长范围光照射时,EQEs高达96%。这是个好消息,因为这意味着他们已经设计出一种近乎完美的光催化剂——IQE必须在96%到100%之间。
 

  尽管钛酸锶“仅仅”是一个可见光光催化剂模型系统,但这一惊人结果还是有几个原因的。首先,它证明了可设计这样的实验:在可接受误差范围小于4%的情况下,EQEs接近IQEs。改进实验装置使测量EQEs与IQEs非常接近,这将有助于光催化剂比较,从而加速这一领域研究进展。
 

  其次,证明了作者所采用的设计策略组合确实可消除重组带来的效率损失。可以预期的是,用来提高钛酸锶效率的策略也将适用于可见光驱动光催化剂,从而使太阳能转化为氢的效率达到10%左右。
 

  最后,也是最重要的,高田和同事的发现将激励和鼓励其他研究人员继续他们在光催化剂方面的工作。
 

  以上内容摘自《孙学军 氢思语》,仅限于知识科普,不代表对本公司产品的宣传。

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