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中國科大廣譜分解水制氫的光催化劑研究獲進(jìn)展

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中國科大廣譜分解水制氫的光催化劑研究獲進(jìn)展

摘要: 　　氫能是一種非常清潔且可儲存運(yùn)輸?shù)目稍偕茉�，利用太陽能分解水制備氫氣已成為一種備受關(guān)注的清潔新能源技術(shù)。無機(jī)半導(dǎo)體材料是目前應(yīng)用最廣的光催化活性物質(zhì)，通常高光催化活性的半導(dǎo)體都具有寬帶隙，使其只能 ...

　　氫能是一種非常清潔且可儲存運(yùn)輸?shù)目稍偕茉�，利用太陽能分解水制備氫氣已成為一種備受關(guān)注的清潔新能源技術(shù)。無機(jī)半導(dǎo)體材料是目前應(yīng)用最廣的光催化活性物質(zhì)，通常高光催化活性的半導(dǎo)體都具有寬帶隙，使其只能吸收紫外光等短波太陽光，而紫外光只占太陽光全譜的5%左右，造成了充分利用太陽能的困難。因此，非常有必要發(fā)展能夠廣譜吸光并完成光催化轉(zhuǎn)化的有機(jī)半導(dǎo)體材料。在目前眾多方案中，由寬帶隙半導(dǎo)體與窄帶隙半導(dǎo)體所組成的Z型結(jié)構(gòu)體系是實(shí)現(xiàn)全譜光催化的有效途徑之一。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授熊宇杰課題組基于陽離子交換合成路線，構(gòu)筑了一類無貴金屬的Z型光催化劑，在廣譜光解水制氫方面展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。該工作在線發(fā)表于德國應(yīng)用化學(xué)（Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201700150），共同第一作者是本科生袁啟宸和博士生劉東。
　　Z型光催化體系的能量轉(zhuǎn)換效率主要取決于兩個材料結(jié)構(gòu)因素：（1）決定兩種半導(dǎo)體之間的電荷轉(zhuǎn)移效率的清晰界面結(jié)構(gòu)；（2）提供發(fā)生還原和氧化反應(yīng)位點(diǎn)的兩種半導(dǎo)體的暴露表面結(jié)構(gòu)。在過去發(fā)展的Z型光催化材料中，業(yè)界往往在兩種半導(dǎo)體之間引入貴金屬，以提高界面電荷轉(zhuǎn)移效率。然而，貴金屬的引入不但提高了材料成本，而且有可能會在貴金屬處發(fā)生逆反應(yīng)。因此，非常有必要在滿足以上兩個材料結(jié)構(gòu)條件的同時，避免在其界面上使用貴金屬。
　　熊宇杰課題組針對該系列挑戰(zhàn)，以Cu7S4納米晶體為前驅(qū)物，通過陽離子交換合成路線，將其轉(zhuǎn)變?yōu)镃u7S4與g-MnS構(gòu)筑而成的雙面神異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不但同時滿足了暴露表面和清晰界面結(jié)構(gòu)要求，而且無需使用貴金屬即可高效完成太陽能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)換。這兩種半導(dǎo)體的帶隙差異可以有效地實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)型吸光，在全譜光照條件下展現(xiàn)出改善的光催化產(chǎn)氫性能。該學(xué)習(xí)進(jìn)展為廣譜光催化材料的設(shè)計(jì)開辟了一條新的思路，也對復(fù)合光催化劑的表界面設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)具有推動作用。
　　該工作的同步輻射光電子能譜表征得到中國科大教授朱俊發(fā)的合作支持。學(xué)習(xí)工作得到了科技部“973”計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)學(xué)習(xí)項(xiàng)目等的資助。

　　無貴金屬的Z型廣譜光解水制氫材料原理圖示中國科大廣譜分解水制氫的光催化劑研究獲進(jìn)展  |  責(zé)任編輯：蟲子
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