有机半导体光催化剂，更有效地利用太阳能制造氢气

显著增强氢气产生的有机半导体光催化剂可开发更有效的能量存储技术。

化石燃料的燃烧正在导致危险的气候变化，从而推动了对更清洁可再生能源的寻找。迄今为止，太阳能是最丰富的可再生能源，但要释放其潜力，需要一种方法来存储它以备后用。

储存太阳能的标准方法是使用析氢光催化剂（hydrogen evolution photocatalysts，HEP）将能量储存在分子氢的化学键中。当前，大多数HEP由单组分无机半导体制成。这些只能吸收紫外线波长的光，这限制了它们产生氢的能力。

由KAUST太阳能中心的伊恩·麦卡洛克（Iain McCulloch）领导的团队与来自美国和英国的研究人员合作，现已开发出由两种不同的半导体材料制成的HEP。他们将这些材料掺入有机纳米粒子中，可以对其进行调整以吸收更多的可见光谱。

该研究的第一作者扬·科斯科（Jan Kosco）说：“传统上，无机半导体已用于光催化领域。但是，这些材料主要吸收紫外光，其可利用的太阳光不到太阳光谱的百分之五。因此，它们的效率受到限制。”

该团队首先使用了一种称为微乳液（miniemulsion）的方法，其中有机半导体的溶液借助稳定的表面活性剂在水中乳化。接下来，他们加热乳液以驱除溶剂，剩下表面活性剂稳定的有机半导体纳米颗粒。

通过改变表面活性剂，它们能够控制纳米颗粒的结构，将它们从核-壳结构转变为混合的供体/受体结构。共混结构使它们能够在供体聚合物和非富勒烯受体之间引入异质结。

科斯科解释说：“两种结构以相同的速率吸收光，但是在核-壳结构中，只有光生空穴到达表面；然而，在混合结构中，空穴和电子都到达纳米粒子的表面，从而增强氢气的产生。

HEP表现出的氢释放速率比单组分无机HEP所能达到的氢释放速率高一个数量级。 这为下一代储能技术奠定了基础。

麦卡洛克说：“我们目前正在研究由半导体的不同混合物形成的纳米粒子的性能，以更好地了解其结构-活性关系。我们正在寻求为其他光催化反应设计纳米粒子光催化剂，例如生成氧气或二氧化碳还原。”

二维半导体在创建下一代电子产品时有很大的优势，它们速度更快，功能更强，效率更高。但它们的制造难度也大得惊人。在这项研究中，研究人员聚焦于可以吸收光的半导体钒酸铋，然后利用这种能量氧化水分子，从而产生氢气和氧气。

半导体颗粒本身是各向异性的，也就是说，它们有三维表面，充满了相互倾斜的切面。然而，并非所有的切面都是相同的。它们可以有不同的结构，而这些结构又会产生不同的能级和电子特性。

使用高空间分辨率的成像技术，研究员测量了每个面和相邻边缘的光电化学电流和表面反应，然后使用定量数据分析来映射其变化。

研究人员惊讶地发现，三维颗粒实际上可以拥有二维材料的电子特性，这是一个从未设想过的发现。这一发现为研究人员提供了一种“调整”电子特性并为光催化过程制作半导体颗粒的方法。研究人员总结，这项研究可以使减少二氧化碳和生产过氧化氢的可再生能源技术受益。

该研究论文题为"Inter-facet junction effects on particulate photoelectrodes"，于 12 月 24 日发表在《自然·材料》期刊上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：https://www.nature.com/articles/s41563-021-01161-6

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