利用紅外光進(jìn)行光解水制氫成為可能

文/吳長(zhǎng)鋒 曾 皓

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院楊金龍教授研究組最近提出了一種新的光解水催化機(jī)制，使得利用紅外光進(jìn)行光解水制氫成為可能，為今后利用太陽(yáng)光所有頻率的能量鋪平了道路。

用太陽(yáng)光分解水制氫，為人類提供清潔燃料，一直被視為化學(xué)的“圣杯”。水分解是吸熱反應(yīng)，傳統(tǒng)理論要求光催化劑吸收的單個(gè)光子能量至少要大于反應(yīng)吸熱，因而占太陽(yáng)光能量近一半的紅外光因?yàn)閱蝹€(gè)光子能量太低，無(wú)法被吸收來(lái)分解水制氫。

楊金龍研究組提出本身具有電偶極矩的二維納米催化劑，可突破傳統(tǒng)理論對(duì)催化劑吸收單個(gè)光子能量的限制，用紅外光也可以分解水產(chǎn)生氫氣。這種催化劑內(nèi)存在的偶極會(huì)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)，吸附在催化劑兩個(gè)表面上的水分子會(huì)感受到不同的靜電環(huán)境，從而導(dǎo)致兩個(gè)表面上水發(fā)生氧化還原的條件變得不再相同。如果氧化和還原分別發(fā)生在不同的表面，催化劑受到的最小單光子能量的限制原則上將不再存在。在這一新的光解水機(jī)制中，不僅紫外光和可見(jiàn)光，紅外光也可以用來(lái)促使水分解產(chǎn)生氫氣。另外，這種催化劑的光激發(fā)是一個(gè)電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程，電子和空穴分別產(chǎn)生在兩個(gè)不同的表面，催化劑固有偶極電場(chǎng)有效促進(jìn)了光照產(chǎn)生的電子和空穴的空間分離，并做功幫助水分解產(chǎn)生氫氣。基于這一機(jī)制，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種雙層氮化硼納米體系，其兩個(gè)表面分別用氫和氟修飾。

基于這一技術(shù)，可以通過(guò)高效光解水制氫在燃料電池汽車方面獲得應(yīng)用。原則上，通過(guò)太陽(yáng)能、電能、化學(xué)能等能量形式的相互轉(zhuǎn)換，這一研究中提出的原理也可以廣泛用在其他新能源技術(shù)中。