光催化分解水:開發可再生能源的一種有效途徑!

2021-01-19 環球創新智慧

導讀

近日，德國慕尼黑大學（LMU）的物理學家們與維爾茨堡大學的化學家們展開合作，首次成功地演示了一種在一體化光催化系統幫助下完全地分解水的方案。

背景

近年來，全球氣候變暖引起了社會各界的廣泛關注。然而，全球氣候變暖的主要原因在於：近一個世紀以來，人類大量使用礦物燃料（如煤、石油等），排放出大量的二氧化碳等多種溫室氣體。全球變暖會帶來全球降水量重新分配，冰川和凍土消融，海平面上升等，不僅危害到自然生態系統的平衡，更威脅到人類的食物供應與居住環境。

（圖片來源：維基百科）

因此，人類急需擺脫礦物燃料，開發出既有創新性又有經濟效益的可再生能源。太陽能水分解是一種製造潔淨、可再生能源的富有前景的方法。基於半導體納米顆粒的新型催化劑，現在已經被證明可促進「人工光合作用（'artificial photosynthesis）」所需的所有反應。通過光催化作用將水分解為氫燃料和氧氣，提供了一種特別吸引人注目的方案。但是，模仿生物光合作用，高效地實現這一個過程，在技術上頗具挑戰性。原因在於：這包括了一系列會相互影響的過程。

創新

近日，德國慕尼黑大學（LMU）博士 Jacek Stolarczyk 與教授 Jochen Feldmann 領導的物理學家們與維爾茨堡大學教授 Frank Würthner 領導化學家們展開合作，首次成功地演示了一種在一體化光催化系統幫助下完全地分解水的方案。他們的新研究發表在《自然能源（Nature Energy）》期刊上。

這種新的催化系統可以作為一種分解水的多功能工具

（圖片來源：C. Hohmann, NIM）

技術

光催化分解水分子的技術方法採用了人工合成成分，模仿自然光合作用期間發生的複雜過程。在這種系統中，吸收光量子（光子）的半導體納米顆粒，原則上可以作為光催化劑。吸收一個光子，會產生一個帶負電荷的粒子（電子）和一個帶正電荷的個體（空穴），這兩個必須是空間分離的，從而使得水分子可通過得到電子被還原成氫氣，也可以通過得到空穴被氧化成氧氣。

（圖片來源：參考資料【2】）

Stolarczyk 表示：「如果有人只想從水中生成氫氣，通常需要通過添加犧牲性的化學試劑來迅速去除這些空穴。但是為了實現完整的水分解，系統中的空穴必須被保留，從而驅動水氧化的緩慢進程。」問題在於：在單個粒子上讓兩個「半反應（half-reactions）」同時發生，同時保證電性相反的個體不會再次結合。此外，許多半導體會自身氧化，因此會被帶正電荷的空穴破壞。

Stolarczyk 解釋道：「我們採用由半導體材料硫酸鎘（cadmium sulfate）製成的納米棒，並且在納米晶體上通過空間分離氧化和還原反應發生的區域，從而解決了這一問題。」

研究人員用鉑微粒修飾納米棒的尖端，而鉑微粒可作為吸收光線激發的電子的受體。慕尼黑大學之前已經展示過，這種配置可為水還原成氫氣提供一種有效的光催化劑。另外一方面，氧化反應發生於納米棒的另一端。為此，慕尼黑大學的研究人員在側表面貼上了維爾茨堡大學團隊開發的釕基氧化催化劑。這種成分具有官能團，可以將它固定到納米棒上。

維爾茨堡大學的項目發起人之一 Peter Frischmann 博士表示：「這些官能團為空穴到催化劑提供了極快的輸運，有效地促進了氧氣的生成，並使得納米棒的損傷降到最低。」

價值

這項研究是跨學科項目「Solar Technologies Go Hybrid」（SolTech）的一部分，該項目由德國巴伐利亞州贊助。慕尼黑大學光子學與光電子學主席 Jochen Feldmann 教授表示：「SolTech 的任務就是為太陽能到非化石能源的轉化探索創新理念。」

與 Feldmann 一起發起 SolTech 項目的 Würthner 補充道 ：「新型光催化系統的開發，是 SolTech 如何將處於不同地點以及不同學科的專家結合起來的一個好示例。該項目的成功離不開兩個研究所的化學家與物理學家的跨學科合作。」

關鍵字

光催化、水分解、新能源

參考資料

【1】https://www.en.uni-muenchen.de/news/newsarchiv/2018/stolarczyk_photokatalyse.html

【2】Christian M. Wolff, Peter D. Frischmann, Marcus Schulze, Bernhard J. Bohn, Robin Wein, Panajotis Livadas, Michael T. Carlson, Frank Jckel, Jochen Feldmann, Frank Würthner, Jacek K. Stolarczyk. All-in-one visible-light-driven water splitting by combining nanoparticulate and molecular co-catalysts on CdS nanorods. Nature Energy, 2018; DOI: 10.1038/s41560-018-0229-6

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