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稀土掺杂氧化钛光催化分解水制氢取得突破

日期: 2025-04-09
浏览次数: 536

来源:中国科学院

150年前,科幻大师凡尔纳预言,水将成为终极燃料。科学家一直努力发展能够将这一预言变为现实的各种可能的技术。其中包括通过阳光直接分解水获取氢气,这项被称为“光催化分解水”的技术属于低碳技术。

目前,太阳能制氢主要有两种方式。一种是太阳能电池发电再电解水,其效率高但设备复杂且昂贵;另一种是太阳光直接光解水,即通过氧化钛等半导体材料在阳光下“一键分解”水分子。光解水自1972年被发现以来便是能源界的“超级明星”。

这种特殊的“光之催化材料”受到阳光照射时,如同微型发电厂一样开始运转,在二氧化钛晶体的体相布满数以亿计的“能量接收站”。每个“接收站”由钛原子和氧原子精密排布构成。当阳光中的光子撞击时,“接收站”便激发出携带能量的电子-空穴对。

然而,传统二氧化钛存在致命缺陷,即这些被激活的电子和空穴像是迷失方向的赛车,在如同“迷宫”的材料内部横冲直撞,多数的电子和空穴在百万分之一秒内就会复合湮灭。同时,高温制备环境易导致氧原子“离家出走”,形成带正电的氧空位,吸引电子形成致命的“陷阱区”,使得“迷宫”充满陷阱。

中国科学院金属研究所刘岗团队发现,解决上述问题的关键在于“元素替代”和“结构整容”。科研人员选择钪(Sc)作为“改造工程师”。钪有三大“绝技”:一是钪离子半径与钛相近,能够嵌入晶格而不造成结构变形;二是钪的稳定价态+3价能够中和氧空位带来的电荷失衡;三是钪原子在表面可以重构晶体原子排布,并得到特定的晶面结构,从而能够指引光生电子和空穴跑出“迷宫”。

研究引入5%的钪原子,制备出颗粒表面由{101}和{110}两类晶面组成的金红石相二氧化钛。这两个晶面如同精心设计的“电荷高速公路”——一个晶面专门收集电子,另一个负责接收空穴。尤其是两个晶面之间形成强度堪比太阳能电池的定向电场,这相当于在数百纳米大小的二氧化钛颗粒中架设电荷运输的“立交桥”。

改造后的半导体光催化材料展现出性能飞跃:光生电荷分离效率提升200余倍,对波长为360纳米紫外光的量子利用率突破30%;在模拟太阳光下,其产氢效率比已报道的二氧化钛高出15倍,创造了该材料体系的新纪录;若将其制作成100m2的光催化板,一天光照时间产生的氢气可以驱动一辆氢能汽车行驶68公里。

4月8日,相关研究成果发表在《美国化学会志》(JACS)上。


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