让氢来得更高效些吧

发布时间:2019-02-18 浏览次数:237 出处:中国科学报  作者: 单位:理学院

通常来说,光催化材料对于太阳光的利用率很低,为3%~4%,大多数的太阳光不能被光催化材料吸收。为了提高对太阳光的利用效率,科学家尝试通过能带调控和结构调控等各种手段,以试图获取更多的氢。

近日,江苏科技大学理学院博士胡友友与南京大学教授吴兴龙课题组合作研究的课题“高效催化产氢”取得重要进展,连续在Nature Communications杂志上发表两篇研究论文。

“我们先将光催化材料作为突破口,没有选择传统的碳化氮(C3N4)材料,而是制备了具有半金属性层状氮化碳材料[C(CN)3](C4N3),并利用多孔氧化铝作为材料生长模板,使得小尺寸的氮化碳纳米薄片附着在人工纳米多孔管阵列中。”胡友友说。

这种新制备材料具有半金属特性,不仅有利于载流子的传输和催化活性提高,还可以有效促进光生载流子的自旋单态和三重态的转换,从而延长载流子寿命,实现电子—空穴对的有效分离。

不过,虽然研究小组在实验上发现了制备的层状氮化碳材料具有优异的吸收特性和产氢速率,但是从理论上缺乏科学合理的解释。

为了解决这个问题,在吴兴龙和南京大学副教授刘力哲的引领下,研究小组经过多次集体讨论,从学科交叉的角度创造性地引入了偏振光学的P波和S波理论和光学谐振增强理论,最终有效地解释了材料的增强吸收特性。

“随后,我们在研究中通过引入光学微栅谐振结构来提升整体太阳能的利用率,使其具有较宽的吸收光谱。尤其在红外波段,可以增强数倍。”胡友友说,此项研究使得产氢速率达到1009μmol g-1 h-1,而这个数据是未经过处理g-C3N4片层材料的60多倍。

并且,该光学微栅谐振结构的制备方法简便,成本低廉,不仅能提高对太阳光的利用效率,还在推广上具有优势。但该研究团队并未止步,他们又从电催化入手,以试图获取更多的氢。

胡友友告诉《中国科学报》,常见的FeS体材料在400K左右会发生半导体—金属相变,可以用于电催化产生氢气。“我们研究发现,在红外光照射下,FeS的相变温度可以降低到300K左右,这是因为光生载流子降低了相变势垒。并且,我们还在碳纤维上生长FeS纳米片,形成了碳纤维—硫化铁纳米片复合结构,利用光的偏振吸收特性增强了光的吸收,实现了常温下FeS的半导体—金属相变,这样就可以用于高效电化学产氢,还为材料相变的调控提供了新方法。”

“尽管这两篇论文的材料体系不一致,分别属于电催化和光催化材料,但是这两篇论文都通过对光场的调控,增强了材料对光的吸收,进而增强材料的催化效果。”胡友友说,在光催化、电催化、光电催化以及光伏电池领域,改善材料性能、增强光吸收是永恒的问题。“我们应该打破传统的材料学科与物理学科的界限,实现材料学科与物理学科的交叉,通过光场调控增强光吸收,进一步提高材料与器件的性能。”

相关论文信息:DOI:10.038/s41467-018-05590-x

DOI:10.038/s41467-019-08358-z

《中国科学报》 (2019-02-18 第7版 能源化工)

http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/2/343515.shtm