非貴金屬光催化制氫材料研發(fā)成功

文/吳長(zhǎng)鋒 楊保國(guó)

非貴金屬光催化制氫材料研發(fā)成功

文/吳長(zhǎng)鋒 楊保國(guó)

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院杜平武教授課題組設(shè)計(jì)制備出具有高轉(zhuǎn)化率的非貴金屬光催化制氫材料，表現(xiàn)出優(yōu)越的人工光合成制氫性能和穩(wěn)定性。該研究成果以封面標(biāo)題形式9月1日發(fā)表在英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)旗下著名國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《能源與環(huán)境科學(xué)》上。

傳統(tǒng)的石油和化石能源的消費(fèi)引起全球變暖、環(huán)境污染和能源短缺等問題，成為人類可持續(xù)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)，而通過模擬光合作用，設(shè)計(jì)高效光催化體系吸收光分解水制氫，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為氫能，是一種理想的制氫途徑。但由于大量使用貴金屬催化劑，成本昂貴。同時(shí)，吸光材料與助催化劑之間空間分布不均勻，可能會(huì)減少光誘導(dǎo)激發(fā)態(tài)電子的生成，降低界面激發(fā)態(tài)電子的壽命，極大影響光催化制氫的效率。

該研究組此前研究發(fā)現(xiàn)，過渡金屬磷化物作為助催化劑有著很好的光催化產(chǎn)氫的性質(zhì)，將磷化亞銅、磷化鉬等磷化物負(fù)載在半導(dǎo)體上，可有效提升半導(dǎo)體光催化產(chǎn)氫的效率。在此基礎(chǔ)上，該研究組利用溶劑熱法，巧妙地將新型磷化鎳助催化劑負(fù)載在硫化鎘半導(dǎo)體納米線上，得到了分布均勻、接觸緊密的磷化鎳/硫化鎘復(fù)合結(jié)構(gòu)，獲得了高效、穩(wěn)定、廉價(jià)的人工光合成催化劑。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和光譜表征證明，該復(fù)合結(jié)構(gòu)能有效促進(jìn)復(fù)合材料內(nèi)的快速電子轉(zhuǎn)移過程，抑制激發(fā)態(tài)電子的失活，提高可見光催化制氫性能。在添加硫化鈉/亞硫酸鈉情況下，該催化劑材料實(shí)現(xiàn)了高效的光催化制氫：可見光大于420納米條件下，每毫克樣品每小時(shí)產(chǎn)氫速率達(dá)到1200微摩爾，90小時(shí)反應(yīng)轉(zhuǎn)化次數(shù)達(dá)到約3270000，基于磷化鎳助催化劑的每小時(shí)反應(yīng)次數(shù)達(dá)到36400。