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日本光解水-科學家解讀光解水最新進展
發布時間：2022-11-02 瀏覽量：3155
日本信州大學超材料研究計劃教授、東京大學教授堂免一成 （Kazunari Domen）在世界頂級學術期刊《自然》上公布最新研究稱，經過一系列降低副反應的設計，摻雜鋁的鈦酸鍶（SrTiO3）在紫外線下催化光解水的量子效率已經達到了96%以上。
值得一提的是，早在1980年，堂免一成 （Kazunari Domen）發表了第一篇用鈦酸鍶來催化光分解水、產生氫氣的論文。這表明了在這一領域取得研究成功所花費時間竟接近40年。
論文中指出，太陽光中強度最高的部分是可見光，并非紫外線。鈦酸鍶因此很難真正進入大規模應用。不過，作為一種模型，堂免一成團隊的結果令人鼓舞，提出的改進效率設計也可能適用于可見光光催化劑。
研究表明，如果太陽光催化分解水的效率達到10%，就能具備經濟上的競爭力。但是，光催化半導體的轉換效率通常遠低于10％。這是因為光催化過程非常復雜，并且要求半導體顆粒具有多種特性的組合。
此前最常見的方法是用太陽能電板發電，再用電分解水。
去年，青年汽車“水氫發動機”的新聞在輿論場鬧得沸沸揚揚，大家紛紛質疑“水變油”的現實可行性，而這個加水就能跑的汽車，其實還加了還加了鋁合金。
值得一提的是，這次日本科學家也用到了鋁，但鋁是作為催化劑的一種成分，而非反應物，可以反復使用。
為了衡量催化劑光解效率，科學家們定義了2個物理量：內部量子效率（IQE）和外部量子效率（EQE）。而日本科學家做到了EQE≈96%，證明了IQE接近100%，被水吸收的光子幾乎沒有浪費，全部被用來分解水分子了。
是什么神奇的材料又是如何做到如此高的效率呢？
研究人員選擇的初始材料，是鈦酸鍶（SrTiO3）。
這是一種特性良好的光催化劑，通過吸收紫外線來產生電子-空穴對。
該日本團隊使用的鈦酸鍶早在1977年就被報道過，是人們發現的最早一批光解水材料。這次，他們使用了多種方法來解決電荷復合問題：一是提高光催化劑顆粒的結晶度，從而減少晶格缺陷；二是在晶格中摻雜少量鋁原子，從而減少晶格中的化學缺陷。這些缺陷都可能成為電子和空穴復合的地方。
研究團隊選擇性地在不同的小平面上沉積合適的助催化劑，以促進電子收集表面上氫氣的產生，收集空穴的面產生氧。
最后，研究團隊還將用于制氧反應的銠催化劑包裹在鉻化合物中進行保護，從而避免不必要的氧還原反應。
據論文報道，經測定，在350nm、360nm、365nm紫外波段處，鋁摻雜鈦酸鍶的外部量子效率分別達到了95.7%、95.5%和91.6%。
這是目前光解水催化劑達到的最高效率。
在370nm和380nm處，外部量子效率值分別下降至59.7%和33.6%，這是光吸收率下降的結果，也可能因為在這些波段，內部量子效率較低。
而這也就意味著，在350-360nm這個波段，該光催化劑的內部量子效率已經接近100%——理論上最強的光催化劑，內部量子效率即為100%。
但是，因為350-360nm波長范圍內的光屬于紫外線，并不是太陽光中高強度的部分。
因此，指望鈦酸鍶來實現大規模的水制氫并不現實。這項研究的主要意義在于令我們理解哪些因素會降低催化效率，并探索一些減少催化損耗的機制