有机半导体光催化剂,更有效地利用太阳能制造氢气

有机半导体光催化剂,更有效地利用太阳能制造氢气,第1张

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。”

判断析氢反应催化剂性能好坏的标准

催化剂通常能使电解水的活化能大大降低,从而降低电解水的过电势。催化剂的优劣决定了电解水所需要的总电压以及电能转换为氢能的转化效率。比如,两根石墨电极组成的电解池通常需要大于2 V的电压才能产生氢气和氧气,因为石墨不是理想的催化剂,而两片不锈钢电极组成的电解池需要大约1.6-1.8V的电压就能产生氢气和氧气。研究新型的催化剂来增加能量转换效率是能源领域十分受关注的焦点。

在酸性环境中,铂是析氢反应的催化剂,几乎没有任何过电势以及非常小的塔菲尔斜率(电流增加10倍所需要的额外电压),是几乎理想化的催化剂,但是由于铂贵金属资源稀缺,科学家正在寻找一些廉价催化剂(过渡金属硫化物,碳化物以及磷化物)。氧化铱是析氧反应的催化剂,但是同样依赖于稀缺资源,同时由于高电位以及酸性环境,极少物质能能同时展现析氧反应催化活性和稳定性,所以目前为止还没有找到氧化铱的替代品。

在碱性环境中,铂和氧化铱依然是很好的催化剂,但是由于氧化物和氢氧化物在碱性环境的稳定性,能有更多低原子数过渡金属化物的选择。比如,镍基合金展现出了优良的析氢反应的催化活性和稳定性,镍铁基复合材料和一些钙钛矿材料展现出了优良的析氧反应的催化活性。

近日,《催化学报》在线发表了中国石油大学(北京)戈磊教授团队在光催化解水领域的最新研究成果。该工作报道了结合动力学和热力学对PtPd修饰硫化镉锌纳米棒高效光催化制氢的机理研究。论文第一作者:张临河硕士,论文通讯作者:戈磊教授。

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背景介绍

双金属合金是目前最有效的共催化剂之一。与单金属纳米粒子相比,双金属纳米粒子由于其独特的微观结构和优良的催化性能而具有巨大的催化潜力。Pt具有较高的功函数和较低的质子还原能力,被认为是最有效的贵金属助催化剂。本课题组研究发现,在氢气生产过程中,PtPd合金作为助催化剂的光催化性能高于Pt。这一现象可以通过PtPd合金的热力学结果来理解,而反应动力学在光催化制氢中也起着重要作用。因此,利用热力学和动力学相结合的方法来研究改进析氢活性的PtPd共催化剂的性质和机理是很有必要的。


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