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日本信州大学超材料研究计划教授、东京大学教授堂免一成 (Kazunari Domen)在世界顶级学术期刊《自然》上公布最新研究称,经过一系列降低副反应的设计,掺杂铝的钛酸锶(SrTiO3)在紫外线下催化光解水的量子效率已经达到了96%以上。
值得一提的是,早在1980年,堂免一成 (Kazunari Domen)发表了第一篇用钛酸锶来催化光分解水、产生氢气的论文。这表明了在这一领域取得研究成功所花费时间竟接近40年。
论文中指出,太阳光中强度最高的部分是可见光,并非紫外线。钛酸锶因此很难真正进入大规模应用。不过,作为一种模型,堂免一成团队的结果令人鼓舞,提出的改进效率设计也可能适用于可见光光催化剂。
研究表明,如果太阳光催化分解水的效率达到10%,就能具备经济上的竞争力。但是,光催化半导体的转换效率通常远低于10%。这是因为光催化过程非常复杂,并且要求半导体颗粒具有多种特性的组合。
此前最常见的方法是用太阳能电板发电,再用电分解水。
去年,青年汽车“水氢发动机”的新闻在舆论场闹得沸沸扬扬,大家纷纷质疑“水变油”的现实可行性,而这个加水就能跑的汽车,其实还加了还加了铝合金。
值得一提的是,这次日本科学家也用到了铝,但铝是作为催化剂的一种成分,而非反应物,可以反复使用。
为了衡量催化剂光解效率,科学家们定义了2个物理量:内部量子效率(IQE)和外部量子效率(EQE)。而日本科学家做到了EQE≈96%,证明了IQE接近100%,被水吸收的光子几乎没有浪费,全部被用来分解水分子了。
是什么神奇的材料又是如何做到如此高的效率呢?
研究人员选择的初始材料,是钛酸锶(SrTiO3)。
这是一种特性良好的光催化剂,通过吸收紫外线来产生电子-空穴对。
该日本团队使用的钛酸锶早在1977年就被报道过,是人们发现的最早一批光解水材料。这次,他们使用了多种方法来解决电荷复合问题:一是提高光催化剂颗粒的结晶度,从而减少晶格缺陷;二是在晶格中掺杂少量铝原子,从而减少晶格中的化学缺陷。这些缺陷都可能成为电子和空穴复合的地方。
研究团队选择性地在不同的小平面上沉积合适的助催化剂,以促进电子收集表面上氢气的产生,收集空穴的面产生氧。
最后,研究团队还将用于制氧反应的铑催化剂包裹在铬化合物中进行保护,从而避免不必要的氧还原反应。
据论文报道,经测定,在350nm、360nm、365nm紫外波段处,铝掺杂钛酸锶的外部量子效率分别达到了95.7%、95.5%和91.6%。
这是目前光解水催化剂达到的最高效率。
在370nm和380nm处,外部量子效率值分别下降至59.7%和33.6%,这是光吸收率下降的结果,也可能因为在这些波段,内部量子效率较低。
而这也就意味着,在350-360nm这个波段,该光催化剂的内部量子效率已经接近100%——理论上最强的光催化剂,内部量子效率即为100%。
但是,因为350-360nm波长范围内的光属于紫外线,并不是太阳光中高强度的部分。
因此,指望钛酸锶来实现大规模的水制氢并不现实。这项研究的主要意义在于令我们理解哪些因素会降低催化效率,并探索一些减少催化损耗的机制