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上海大學團隊在光解水制“綠氫”方向上取得新突破！
發布時間：2022-10-31 瀏覽量：3280
開上氫能源汽車，加氫3分鐘就能跑800公里，還是零排放，隨著制氫技術的發展和產業化應用，這一場景有望成為現實。在碳達峰、碳中和背景下，氫能成為未來的重要能源，如何高效、低成本制氫，特別是光解水制“綠氫”是許多科學家研究的方向。
北京時間2022年10月18日4時，上海理工大學材料與化學學院化學系廉孜超特聘教授和京都大學化學研究所“通過等離子體能量上轉換利用紅外太陽能”（Harnessing infrared solar energy with plasmonic energy upconversion）的研究成果發表于綠色可持續發展技術和環境科學領域國際頂級期刊《自然-可持續發展》(Nature Sustainability)。研究提供了一種利用光解水未開發的太陽能紅外光區誘導材料能量轉化的新方案，在國際上填補了非貴金屬實現高效的等離激元能量上轉換效率這一領域的空白，意味著“水變氫”有了一條可實用化的新路徑。
《自然-可持續發展》Nature Sustainability論文封面圖
太陽光光譜中包含5%的紫外光、43%的可見光和52%的紅外光，以往有關光催化的研究大多限制在紫外光和可見光范圍內，而幾乎占太陽能一半的紅外光卻被白白浪費了。是否可以開發出能夠拓展太陽光譜響應范圍的光催化劑，從而充分利用太陽光資源呢？
帶著這樣的疑問，廉孜超教授團隊進行了深入研究，創造性地提出使用半金屬-半導體性質的硫化銅（CuS）構建半導體異質結，形成良好的等離子體紅外到可見能量上轉換系統，從而大幅提升紅外光利用率，也使氫能的規模化、平價化應用成為可能。
“當入射光子頻率恰好與金屬納米顆粒或金屬傳導電子的整體振動頻率相匹配，可以視為光子成功‘撥通電話’，并被振蕩‘接通電話’后吸收，只有極少的光發生散射，此時光譜上出現一個較強的共振吸收峰，產生的表面等離激元電子和空穴會同時傳遞到臨近的寬禁帶半導體上面。”廉孜超教授團隊，將這一過程形象地稱為“等離子體爬坡”，并介紹這意味著光催化劑中的等離激元只要攀升到能發生局域表面等離子體共振的“坡”上，就能實現能量的增強和轉化，將太陽能中的紅外光能轉換為可見光能，最終達到提高光解水紅外光利用率的目的。
上海理工大學 廉孜超特聘教授
在利用紅外光讓“水變氫”的過程中，光催化材料是核心，材料的活性、穩定性和成本則是決定光催化技術能否實際應用的關鍵。“關于等離激元上轉換，目前只有極少數的課題組報道過，主要集中在金銀合金修飾的GaAs半導體，其能量轉換效率在0.1-1%。而廉孜超教授團隊利用硫化銅成本更低，轉換效率達到5.1%。”
紅外光到可見光能量上轉換機理圖
整個研究歷時5年之久，廉孜超研究團隊輾轉國內外，遠赴豐田工業大學和日本立命館大學做瞬態吸收光譜相關測試。測試過程中，團隊嘗試多種可能的方法，發現了高效率的等離子體空穴的轉移現象，對等離子體紅外到可見能量上轉換系統的構建有了初步構想。由于等離激元上轉換這一領域涉足者鮮少，廉孜超團隊選擇的“拓荒之路”注定充滿艱辛。催化劑在轉換系統中扮演著重要角色，而研究團隊把興趣稱作科研過程中最好的“催化劑”功夫不負有心人，最終研究團隊將紅外光到可見光的等離激元能量上轉換效率推至5%以上。