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納米材料催化光解水析氫原理-陽光下分解水以獲得氫氣
發布時間：2022-11-02 瀏覽量：1993
東京工業大學（Tokyo Institute of Technology）的科學家們開發了一種由金屬氧化物納米片和吸光分子構建的混合材料，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的啟示。
隨著化石燃料的枯竭及其燃燒帶來的環境問題，開發清潔能源發電技術成為全球關注的話題。在所提出的各種清潔能源發電方法中，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許多重要化學品的原料。
現在，東京工業大學Kazuhiko Maeda領導的研究小組開發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，周轉頻率為每小時1960次，外部量子產率為2.4%。
這些結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更近了一步。
這種新材料發表在《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）納米團簇交錯構成的。然而，鉑改性納米片并不能單獨發揮作用，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合，實現了太陽驅動的H2析出。
該材料之所以高效，是因為采用了納米片，可以通過化學剝落片狀HCa2Nb3O10獲得。納米片的高表面積和結構靈活性最大限度地提高了染料負載量和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過程中促進了染料再生，而不妨礙電子從激發態染料注入納米片，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H2析出非常困難，我們的研究結果清楚地表明，利用精心設計的分子-納米材料混合體，這確實是可能的。"
后續還將進行更多研究，進一步優化混合型光催化劑的設計，以提高其效率和長期耐久性。
論文標題為《An Artificial Z-Scheme Constructed from Dye-Sensitized Metal Oxide Nanosheets for Visible Light-Driven Overall Water Splitting》。