利用陽光直接從水中制取氫，最主要的障礙是催化劑效率低下。最近有學(xué)者制造出一種特別有效的催化劑，有希望解決這個問題。
 

　　防止氣候變化，尋找化石燃料的“綠色”替代品，已經(jīng)成為公眾廣泛關(guān)注的話題。盡管公眾的認(rèn)識迅速提高，在尋找成本效益高的技術(shù)辦法方面卻沒有進(jìn)展。氫氣作為能源是一個有希望候選者，但是氫氣必須用可再生能源來生產(chǎn)。氫氣是綠色燃料，因?yàn)樗娜紵划a(chǎn)生純水，但制造氫氣也不能用其他有污染的技術(shù)。高田等在《自然》雜志上發(fā)表了一篇論文，報告了在催化劑設(shè)計(jì)方面的一項(xiàng)突破，該突破可能會加速利用陽光從水中制取氫的大規(guī)模工藝的發(fā)展。
 

　　可再生能源的最大潛在來源是太陽。地球表面每年只吸收約0.02%的太陽能，就足以覆蓋目前的全球能源消耗。因此，許多研究就是希望找到能將太陽能轉(zhuǎn)化為儲存在氫中化學(xué)能的方法，將水分解成氫和氧就是其重點(diǎn)。一些方法已經(jīng)在試點(diǎn)設(shè)施中進(jìn)行了測試，比如太陽能轉(zhuǎn)化為天然氣的裝置，這種裝置利用太陽能電池產(chǎn)生電力通過電解分解水。用這種方法產(chǎn)生的氫可以用來長期儲存太陽能，或者作為汽車燃料。然而，太陽能轉(zhuǎn)化為天然氣的過程在經(jīng)濟(jì)上還不可行。
 

　　一項(xiàng)關(guān)于太陽能生產(chǎn)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性的研究表明，基于光活化催化劑(光催化劑)的系統(tǒng)是最有吸引力的替代技術(shù)。在這些系統(tǒng)中，光催化半導(dǎo)體顆粒懸浮在充滿水電解質(zhì)的床層中;陽光照射在懸浮體上，會產(chǎn)生氫氣和氧氣。光催化劑能以10%以上的效率將太陽能轉(zhuǎn)化為氫，這類簡便性制氫技術(shù)就具有工業(yè)價值。
 

　　不幸的是，光催化半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)換效率通常遠(yuǎn)低于10%。是因?yàn)楣獯呋^程非常復(fù)雜，需要半導(dǎo)體顆粒具有多種特性能力。它們必須能吸收光線，能生成并分離電子-空穴對;使空穴和電子能夠移動到粒子-水界面;催化水產(chǎn)生氫和氧(分別需要電子和空穴的反應(yīng))。每一步都可能發(fā)生副過程會降低整體轉(zhuǎn)換效率。因此，材料學(xué)家試圖設(shè)計(jì)出能將這種效率損失最小化的光催化劑。
 

　　衡量光催化劑有效性的一個關(guān)鍵指標(biāo)是：用來產(chǎn)生氫氣的吸收光子的比例，這個數(shù)量被稱為內(nèi)部量子效率(IQE)。最完美的光催化劑可將所有吸收光子轉(zhuǎn)化為氫，其IQE值為1(或100%)。然而，IQE本身并不能從實(shí)驗(yàn)中確定。檢測策略是用可測量的外部量子效率(EQE)：光催化劑用來產(chǎn)生氫氣的照亮反應(yīng)容器的光子的比例。EQE值總是低于IQE，因?yàn)檎彰鞴庾拥奈粗糠植粫还獯呋瘎┪眨黄渌^程所吸收，比如散射。如果使用相同實(shí)驗(yàn)裝置研究類似光催化-粒子懸浮物，確保吸收相同比例的光，那么EQE可以作為IQE間接測量。但使用不同設(shè)置確定EQEs不能作為比較光催化系統(tǒng)的IQEs的一種方法，因?yàn)镋QE和IQE之間的關(guān)系對于每種設(shè)置都是不同的，因此不同的研究小組很難比較結(jié)果。
 

　　高田等將重點(diǎn)放在了鈦酸鍶(SrTiO3)上，這是最早發(fā)現(xiàn)的光催化分解水的材料之一，據(jù)1977年報道。鈦酸鍶通過吸收紫外線產(chǎn)生電子-空穴對。因?yàn)樘枏?qiáng)度在可見光范圍內(nèi)最高，所以紫外線驅(qū)動催化劑不太可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？沙掷m(xù)氫氣生產(chǎn)。然而，鈦酸鍶是研究光催化劑參數(shù)對量子效率(包括EQE和IQE)影響的一個很好模型，因?yàn)樵谶@種材料中導(dǎo)致效率損失的機(jī)制已經(jīng)被很好理解，且已經(jīng)提出了減少損失的策略。
 

　　作者使用了多種方法組合來解決特定損失機(jī)制。其中一種機(jī)制是電荷重組，即電子和空穴在參與水分裂前進(jìn)行重組。高田和同事用幾種方法抑制重組。第一種方法是提高光催化劑顆粒結(jié)晶度，減少晶格缺陷數(shù)量。另一種方法是使用鋁摻雜來減少晶格中化學(xué)缺陷數(shù)量——這是一種將少量鋁原子加入晶格的過程。這兩種方法所以有效，是因?yàn)槿魏稳毕荻伎勺鳛闈撛谥亟M中心。
 

　　高田和同事們還利用了這樣一個事實(shí)，即鈦酸鍶晶體中的電子和空穴聚集在不同的晶體表面——這一特征進(jìn)一步抑制了電荷重組。作者選擇在切面上沉積合適的共催化劑，以促進(jìn)電子收集切面上產(chǎn)氫和空穴收集切面上的產(chǎn)氧;這一方法以前曾被其他研究小組建立。最后，作者們通過將銠副催化劑包裹在鉻化合物保護(hù)殼內(nèi)來防止不必要的副反應(yīng)。
 

　　這種復(fù)雜緩解策略的結(jié)合被證明是非常成功的。作者報告說，當(dāng)他們的光催化劑受到350-360納米波長范圍光照射時，EQEs高達(dá)96%。這是個好消息，因?yàn)檫@意味著他們已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種近乎完美的光催化劑——IQE必須在96%到100%之間。
 

　　盡管鈦酸鍶“僅僅”是一個可見光光催化劑模型系統(tǒng)，但這一驚人結(jié)果還是有幾個原因的。首先，它證明了可設(shè)計(jì)這樣的實(shí)驗(yàn)：在可接受誤差范圍小于4%的情況下，EQEs接近IQEs。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置使測量EQEs與IQEs非常接近，這將有助于光催化劑比較，從而加速這一領(lǐng)域研究進(jìn)展。
 

　　其次，證明了作者所采用的設(shè)計(jì)策略組合確實(shí)可消除重組帶來的效率損失?？梢灶A(yù)期的是，用來提高鈦酸鍶效率的策略也將適用于可見光驅(qū)動光催化劑，從而使太陽能轉(zhuǎn)化為氫的效率達(dá)到10%左右。
 

　　最后，也是最重要的，高田和同事的發(fā)現(xiàn)將激勵和鼓勵其他研究人員繼續(xù)他們在光催化劑方面的工作。
 

　　以上內(nèi)容摘自《孫學(xué)軍 氫思語》，僅限于知識科普，不代表對本公司產(chǎn)品的宣傳。