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最強(qiáng)光催化劑“出手” “水變氫”效率刷新世界紀(jì)錄
責(zé)編:李曉燕 發(fā)布時間:2022-01-29 15:30:51 瀏覽次數(shù):

   在太陽光或一縷LED紫外光照拂下,玻璃燒杯中加入一點(diǎn)點(diǎn)白色粉末,無須加熱也無須其他能源,燒杯里的水便可源源不絕產(chǎn)生氫氣,且經(jīng)過數(shù)百小時的實(shí)驗(yàn),這種白色粉末的量并未衰減。在云南大學(xué)材料與能源學(xué)院實(shí)驗(yàn)室,你能見到這樣的“奇觀”。

 

   在碳達(dá)峰、碳中和背景下,潔凈的氫成為未來的重要能源,高效、低成本制氫,特別是光解水制氫是科學(xué)家研究的方向。1月10日,國際著名期刊《自然•通訊》發(fā)表了云南大學(xué)柳清菊教授團(tuán)隊(duì)與英國倫敦大學(xué)學(xué)院唐軍旺教授團(tuán)隊(duì)、華東師范大學(xué)黃榮教授團(tuán)隊(duì)合作的一項(xiàng)重要研究成果——以單原子銅錨定二氧化鈦,成功制備新型光催化劑,其分解水制氫量子效率高達(dá)56%,被審稿人稱為“世界紀(jì)錄”。這意味著“水變氫”有了一條可實(shí)用化的新路徑。
 
   提高催化效率
 
   才能助推光解水制氫走向?qū)嵱没?/span>
 
   氫能是一種清潔無污染的可再生能源,燃燒值很高,可達(dá)每千克140兆焦耳,其具有來源豐富、燃燒產(chǎn)物無二次污染等優(yōu)點(diǎn),有望代替石油和天然氣,因而受到世界范圍的廣泛關(guān)注。若能得以大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用,將為“雙碳”目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)作出貢獻(xiàn)。
 
 “目前,制備氫的主要方法有化石燃料制氫和電解水制氫,但兩種方法都需消耗傳統(tǒng)能源。”柳清菊向科技日報記者介紹,化石燃料制氫,二氧化碳排放量大,每生產(chǎn)1千克氫氣,將產(chǎn)生10千克左右的二氧化碳;而電解水制氫也存在能耗和成本問題。“在環(huán)境和能源問題日益嚴(yán)重的今天,開發(fā)清潔、可持續(xù)、低成本的制氫技術(shù),推進(jìn)氫能的發(fā)展顯得尤為迫切和重要。”柳清菊說,采用光催化技術(shù),利用太陽能驅(qū)動水分解制氫是一種極具發(fā)展前途的新方法。
 
   自1972年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)二氧化鈦半導(dǎo)體具有光催化性能以來,光解水制氫一直受到學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注與重視。在能量大于或等于半導(dǎo)體禁帶寬度的光照射下,光催化材料價帶中的電子吸收入射光子的能量躍遷到導(dǎo)帶,形成“電子—空穴”對,空穴和電子遷移到材料表面,與表面吸附的水分子發(fā)生氧化還原反應(yīng),也就是電子與水發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生氫氣,空穴氧化水產(chǎn)生氧氣。
 
   然而,由于電子帶負(fù)電,空穴帶正電,使得光催化材料中光照所產(chǎn)生的“電子—空穴”很容易復(fù)合,導(dǎo)致產(chǎn)氫量子效率低下,嚴(yán)重阻礙了光解水制氫的發(fā)展。因此,如何阻止“電子—空穴”的復(fù)合,提高光催化制氫效率,成為目前國際上光催化研究領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一,也是制約光催化制氫技術(shù)實(shí)用化的瓶頸難題。
 
   這其中,光催化材料是核心。而光催化材料的活性、穩(wěn)定性和成本是決定光催化技術(shù)能否實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。
 
   銅離子“補(bǔ)位”
 
   新型光催化材料設(shè)計(jì)制備突破瓶頸
 
   金屬單原子催化劑是近年來迅速發(fā)展起來的新型催化劑。相比傳統(tǒng)金屬催化劑,金屬單原子催化劑中的原子以單個的形式負(fù)載在載體上,在催化反應(yīng)中可充分參與反應(yīng),實(shí)現(xiàn)反應(yīng)活性中心的最大化,利用效率可接近100%,在理論上可以同時提高催化活性并降低成本。然而由于單原子具有極高的表面能,在合成和催化反應(yīng)過程中容易團(tuán)聚、穩(wěn)定性差、壽命短且制備成本高,阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。
 
 “這次起光催化作用的二氧化鈦,是一種鈦和氧規(guī)則排列的晶體,我們通過獨(dú)特的合成工藝,在其中生成大量的鈦空位。”柳清菊向記者解釋,有了這些鈦空位,就可以請銅離子來幫忙“補(bǔ)位”。
 
 “通過對鈦基有機(jī)框架材料MIL-125中鈦空位的設(shè)計(jì)和可控合成,我們研制出具有大比表面積和豐富鈦空位的二氧化鈦納米材料,以此為載體錨定過渡金屬銅單原子,使銅與二氧化鈦形成了牢固的‘銅—氧—鈦’鍵。”柳清菊介紹,在光催化制氫反應(yīng)過程中,一價陽離子銅和二價陽離子銅的可逆變化,大大促進(jìn)了光生“電子—空穴”的分離和傳輸,大幅提高了光生電子的利用率,使產(chǎn)氫量子效率獲得突破,達(dá)到56%。這項(xiàng)突破獲得了歐洲科學(xué)院院士、倫敦大學(xué)學(xué)院光催化和材料化學(xué)終身教授唐軍旺團(tuán)隊(duì)的驗(yàn)證。
 
   成本、工藝更“親民”
 
   光解水制氫產(chǎn)業(yè)已初露曙光
 
   新研制的二氧化鈦基光催化材料,具有性能穩(wěn)定、無毒、無二次污染等優(yōu)點(diǎn),且生物相容性好、制備方法簡單、成本低,與傳統(tǒng)方法相比優(yōu)勢明顯。通常含貴金屬的催化劑,催化活性高,但相應(yīng)的成本也極高。“新材料中,我們用的是‘賤金屬’銅,它儲量大、價格低、易獲得,這是成本降低的第一個方面。” 柳清菊介紹,此外,原有的催化材料中單個金屬原子活性很大,很容易形成團(tuán)簇,使得催化活性降低。研發(fā)團(tuán)隊(duì)將銅原子牢固地錨定在鈦空位上,不容易團(tuán)聚,創(chuàng)新性地解決了這個問題,穩(wěn)定時間很長,在常溫常濕條件下,樣品放置380天之久,仍然具有與新制備樣品相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)氫性能,進(jìn)一步降低了產(chǎn)氫成本;另外,新型光催化材料制備工藝簡單,無需昂貴的設(shè)備,使光催化制氫更加“親民”。
 
   近年來,柳清菊團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究,包括材料設(shè)計(jì)、合成工藝、機(jī)理研究、性能優(yōu)化等,已獲得穩(wěn)定的高性能光解水制氫光催化材料的實(shí)驗(yàn)室制備工藝,正準(zhǔn)備開展放大工藝研發(fā),為后續(xù)產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。雖然傳統(tǒng)的光催化材料成本高、量子效率低,國內(nèi)光催化產(chǎn)氫市場尚未成熟,但隨著產(chǎn)業(yè)鏈銜接及相關(guān)政策的完善,光催化制氫產(chǎn)業(yè)化已是曙光初露。
 
   對柳清菊團(tuán)隊(duì)而言,56%的產(chǎn)氫量子效率也不是終點(diǎn)。“我們還在繼續(xù)努力,使效率進(jìn)一步提高,如果能夠提高到70%以上,對生產(chǎn)應(yīng)用的意義將是不言而喻的。”柳清菊說,找準(zhǔn)了方向,效率再提升將不是夢。隨著光解水效率進(jìn)一步提高和成本進(jìn)一步降低,氫能時代將加速到來,人類也將還地球以綠水青山。

                                                                                                                                         (來源:科技日報)