光催化水分解制氫是一種將太陽能高效轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也是減少化石能源依賴、緩解環(huán)境污染的重要途徑。
近日，中國科學(xué)院金屬研究所劉崗團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地在二氧化鈦材料中引入稀土元素鈧，通過其獨(dú)特“絕技”，成功設(shè)計(jì)出具有定向光生電荷傳輸通道的催化材料，大幅提升了光催化水分解制氫效率。
01
光催化分解水
目前太陽能制氫主要有兩種方式：一種方式是太陽能電池發(fā)電再電解水，效率高但設(shè)備復(fù)雜且昂貴；另一種是太陽光直接光解水，通過二氧化鈦等半導(dǎo)體材料在陽光下“一鍵分解”水分子。
二氧化鈦被稱為“光催化材料”，材料晶體的體相布滿數(shù)以億計(jì)的鈦原子和氧原子，受到陽光照射時(shí)，光子撞擊激發(fā)出攜帶能量的電子—空穴對，用于分解水制取氫氣。
但二氧化鈦本質(zhì)上有個(gè)嚴(yán)重的障礙：這些被激活的電子和空穴就像迷失方向的賽車，在如同迷宮的材料內(nèi)部橫沖直撞，絕大多數(shù)的電子和空穴在百萬分之一秒內(nèi)就會(huì)復(fù)合湮滅。
同時(shí)，高溫制備環(huán)境容易導(dǎo)致氧原子“離家出走”，形成會(huì)導(dǎo)致電子和空穴復(fù)合的原子級缺陷，如同讓“迷宮”充滿陷阱，大幅降低光催化分解水效率。
02
鈧摻雜改造
中國科學(xué)院金屬研究所團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，解決問題的關(guān)鍵在于“元素替代”及“結(jié)構(gòu)整容”。
科研人員選擇了元素周期表中鈦的鄰居——稀土元素鈧（Sc），作為改造工程師。
鈧有三大絕技：一是，鈧離子半徑與鈦相近，能完美嵌入晶格而不造成結(jié)構(gòu)變形；二是，鈧的穩(wěn)定價(jià)態(tài)+3價(jià)恰好能中和氧空位帶來的電荷失衡；三是，鈧原子在表面能重構(gòu)晶體原子排布，得到特定的晶面結(jié)構(gòu)，從而能夠指引光生電子和空穴順利跑出“迷宮”。
通過引入5%的鈧原子，研究團(tuán)隊(duì)成功制備出顆粒表面由｛101｝和｛110｝兩類晶面組成的金紅石相二氧化鈦。這兩個(gè)晶面就像精心設(shè)計(jì)的“電荷高速公路”：一個(gè)晶面專門收集電子，另一個(gè)則負(fù)責(zé)接收空穴。
并且，兩個(gè)晶面之間形成了強(qiáng)度堪比太陽能電池的電場（約1kV/cm），這相當(dāng)于在數(shù)百納米大小的二氧化鈦顆粒中架設(shè)了光生電荷運(yùn)輸?shù)摹傲⒔粯颉薄?/p>
▲鈧摻雜氧化鈦晶體結(jié)構(gòu)和光解水反應(yīng)示意圖
03
助力能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級
經(jīng)過測試，改造后的半導(dǎo)體光催化材料展現(xiàn)出驚人的性能提升：光生電荷分離效率提升200余倍，對波長為360nm紫外光的量子利用率突破30%關(guān)口。在模擬太陽光下，其產(chǎn)氫效率比二氧化鈦材料高出15倍，創(chuàng)造了該材料體系的新紀(jì)錄。
二氧化鈦?zhàn)鳛橐环N工業(yè)用途廣泛的無機(jī)材料，我國已形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。同時(shí)我國稀土鈧的儲(chǔ)量位居世界前列。
未來，光催化分解水效率進(jìn)一步突破后將有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，助力能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級。
來源：中國科學(xué)院金屬研究所
責(zé)任編輯：曹旸
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