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光學工程
中國科大廣譜分解水制氫的光催化劑研究取得新進展

氫能是一種非常清潔且可儲存運輸的可再生能源,利用太陽能分解水制備氫氣已成為一種備受關注的清潔新能源技術。無機半導體材料是目前應用最廣的光催化活性物質,通常高光催化活性的半導體都具有寬帶隙,使其只能吸收紫外光等短波太陽光,而紫外光只占太陽光全譜的5%左右,造成了充分利用太陽能的困難。因此,非常有必要發展能夠廣譜吸光并完成光催化轉化的有機半導體材料。在目前眾多方案中,由寬帶隙半導體與窄帶隙半導體所組成的Z型結構體系是實現全譜光催化的有效途徑之一。近日,中國科學技術大學熊宇杰教授課題組基于陽離子交換合成路線,構筑了一類無貴金屬的Z型光催化劑,在廣譜光解水制氫方面展現出優異的性能。該工作在線發表于重要化學期刊《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201700150),共同第一作者是本科生袁啟宸和博士生劉東。

Z型光催化體系的能量轉換效率主要取決于兩個材料結構因素:(1)決定兩種半導體之間的電荷轉移效率的清晰界面結構;(2)提供發生還原和氧化反應位點的兩種半導體的暴露表面結構。在過去發展的Z型光催化材料中,業界往往在兩種半導體之間引入貴金屬,以提高界面電荷轉移效率。然而,貴金屬的引入不但提高了材料成本,而且有可能會在貴金屬處發生逆反應。因此,非常有必要在滿足以上兩個材料結構條件的同時,避免在其界面上使用貴金屬。

熊宇杰課題組針對該系列挑戰,以Cu7S4納米晶體為前驅物,通過陽離子交換合成路線,將其轉變為Cu7S4與g-MnS構筑而成的雙面神異質納米結構。該結構不但同時滿足了暴露表面和清晰界面結構要求,而且無需使用貴金屬即可高效完成太陽能向化學能的轉換。這兩種半導體的帶隙差異可以有效地實現互補型吸光,在全譜光照條件下展現出改善的光催化產氫性能。該研究進展為廣譜光催化材料的設計開辟了一條新的思路,也對復合光催化劑的表界面設計研究具有推動作用。

該工作的同步輻射光電子能譜表征得到中國科學技術大學朱俊發教授的合作支持。研究工作得到了科技部973計劃、國家自然科學基金、中國科學院前沿科學重點研究項目等項目的資助。 (化學與材料科學學院、合肥微尺度物質科學國家實驗室、能源材料化學協同創新中心 國家同步輻射實驗室)


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