日本研究人员开发出光催化制氢新方法 制氢效率比传统方法高100倍

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将太阳光转化为氢气是解决世界能源挑战的一个看似理想的方法。这个过程不直接涉及化石燃料,也不会产生任何温室气体排放。由此产生的氢气可以为车辆、船舶和火车的燃料电池系统提供动力,也可以输入电网或用于制造化学品和钢铁。不过目前,这种清洁能源的愿景主要存在于实验室中。

日本研究人员开发出光催化制氢新方法 制氢效率比传统方法高100倍

近日,日本研究人员表示,他们已经向利用太阳能制造大量氢气迈出了重要一步。来自长野信州大学的团队研究吸光材料,以分裂水中的氢气和氧气分子。现在,他们已经开发出一种两步法,从光催化反应中产生氢气的效率大幅提高。


研究人员从氧氮化钽钽(BaTaO 2 N)开始,这是一种半导体材料,可以吸收高达650纳米(红色的橙色末端的可见波长)的光。粉末状物质用作光催化剂,利用驱动反应所需的太阳能。他们还使用甲醇水溶液代替水,这使他们仅关注氢组分并降低了反应的复杂性。


就其本身而言,  BaTaO 2 N几乎不能从溶液中“释放出”氢气。因此,Shinshu团队使用他们的新方法“向”粉末颗粒中装入了铂基助催化剂,以提高化学活性。


结果,根据他们在《自然通讯》杂志上发表的论文,这些材料产生氢的效率比使用传统方法负载铂的BaTaO 2 N 效率高出大约100倍。


该研究的合著者Takashi Hisatomi表示,该结果是该研究领域的“非凡发现”。Hisatomi是日本长野县信州大学超材料研究计划的教授,他对BaTaO 2 N的研究已有近十年的历史。


太阳能专家已将努力使氢变得更容易或更有效的努力称为“圣杯”。当用于燃料电池驱动的车辆或建筑物中时,无味气体不会产生排放或空气污染,而只是产生少量的热量和水。但是,当今几乎所有的氢气都是通过涉及天然气的工业过程生产的,最终将更多的排放物排放到大气中。少数设施可以使用可再生电力来分裂水分子来制造“绿色”氢,但该过程本身是高能耗的。如果科学家可以直接从太阳的能量中产生氢,那么他们可以绕开这一昂贵的步骤。


在比利时,鲁汶大学的团队正在开发太阳能电池板,该电池板收集空气中的水分,然后使用化学和生物成分将水直接分解到表面上。研究人员设想将这些面板放置在房屋顶部,使人们能够利用现场制造的氢气为房屋供暖。另外,以色列和意大利的科学家正在推进从太阳能到化学能转化中提取尽可能多的氢的方法。这个国际组织开发了棒状的纳米颗粒,上面贴有铂金球,可以防止氢和氧在分子分离后重新结合。


在信州,研究人员试图通过沉积铂基助催化剂来提高BaTaO 2 N光催化剂的效率。Hisatomi说,但是传统的方法起初并未奏效。

日本研究人员开发出光催化制氢新方法 制氢效率比传统方法高100倍

例如,在浸渍还原过程中,将表面填充有含有金属前体的溶液,然后进行高温处理,从而蒸发掉溶剂并留下金属催化剂。当Shinshu团队将细小的铂金颗粒施加到BaTaO 2 N颗粒时,这些颗粒趋于聚集,从而限制了材料之间的电子相互作用。另一种称为光沉积的方法导致BaTaO 2 N与助催化剂之间的接触较弱,进而削弱了相互作用。


因此研究人员将这两种方法结合在一起。首先,他们通过浸渍还原过程仅沉积了少量的助催化剂,从而防止了颗粒的聚集。然后他们使用光沉积法涂覆了第二层;这次,细小颗粒在第一步种植的广泛分散的“种子”上生长。


虽然研究涉及的是甲醇水溶液,而不是水,但研究小组证实,新开发的铂载BaTaO2N与另一种驱动氧进化过程的光催化剂结合后,可以比早期的BaTaO2N版本更有效地分裂水中的氢和氧分子。


Hisatomi表示,该团队正在考虑在面板型反应器上打印粉末状光催化剂。他和他的同事已经用另一种材料--掺铝的钛酸锶(SrTiO3)制造了这样的装置,这种材料的晶体结构与BaTaO2N相同,但吸收的光波长不同。1平方米的面板反应器中充满了1毫米深的水层。当暴露在阳光下时,化学反应会迅速释放出气泡。相关的研究工作旨在开发能够将氢气和氧气气泡分离的膜。


不过,尽管效率提高了100倍,但BaTaO2N还没有做好初步制氢的准备。


Hisatomi说:“我们仍然需要在效率上进行类似的提升,以使这项技术切实可行。” 随着研究人员继续改进光催化剂,他们还将开始对其他类型的材料应用两步法。 他补充说:“我们不知道哪种材料最终将成为最好的材料。”


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