研究人员设计新型光催化剂，使光催化水分解制氢变得可控

2022-06-03 10:27:49  信息编号：K217981  浏览次数：68

在可再生能源产生的电流的帮助下，目前绿色氢通常是通过分解水产生的。然而，维也纳工业大学(TU Wien) 的研究人员提出了一种新的光催化剂设计，可以使这一过程高度直接和可控。

两个簇的结构模型，可以通过光能将水分解为 O 2和 H 2 。图片来源：维也纳工业大学。

氢可能是未来能源供应的重要组成部分：它可以根据需要进行储存、运输和燃烧。但目前可用的大部分氢气是天然气生产的副产品，为了保护气候，必须对其进行改造。

到目前为止，生产环保的所谓“绿色氢”的最佳计划是利用可再生能源（例如光伏电池）提供的电力将水分解成氧气和氢气。

但是，如果可以直接利用阳光来分解水，那就更容易了。这确实是目前新催化剂正在使之成为可能，在一个被称为“光催化水分解”的过程中。该概念尚未在工业上使用。

在 TU Wien，已经朝着这个方向迈出了重要的一步：在原子尺度上，研究人员发现了一种新的分子和固态催化剂组合，它可以仅基于相对负担得起的材料来完成这项工作。

不同原子的相互作用

维也纳工业大学材料化学研究所Alexey Cherevan表示，实际上，要能够用光分解水，您必须同时解决两个任务。我们必须考虑氧气和氢气。水中的氧原子必须转化为 O 2分子，而剩余的氢离子（只是质子）必须转化为 H 2分子。

目前，已经为这两项任务找到了解决方案：仅包含少量原子的小型无机簇，这些原子固定在二氧化钛等吸光支撑结构的表面上。簇和谨慎选择的半导体载体的组合产生了优选的行为。

负责氧化氧的簇由钨、氧和钴组成，而钼和硫的簇特别适合制造氢分子。TU Wien 的科学家是第一个将这种簇沉积在由氧化钛制成的表面上，在那里它们可以作为水分解的催化剂。

维也纳工业大学材料化学研究所Alexey Cherevan表示，氧化钛对光敏感，这是众所周知的。吸收光的能量导致在二氧化钛中产生自由移动的电子和自由移动的正电荷。然后，这些电荷使位于该表面上的原子簇促进水分解成氧和氢。

精确控制

Alexey Cherevan 说，其他致力于用光分解水的研究小组依赖于纳米粒子，这些纳米粒子可以呈现出非常不同的形状和表面特性。尺寸很难控制，原子的排列方式也不完全一样。因此，在这种情况下，不可能详细解释催化过程是如何发生的。

同时，在 TU Wien，原子团的正确结构已经以原子精度确定，使人们能够全面了解催化循环。

维也纳工业大学材料化学研究所Alexey Cherevan表示，这是获得有关流程效率真正依赖的反馈的唯一方法。我们不想仅仅依靠反复试验的方法并尝试不同的纳米颗粒，直到我们找到最好的——我们想在原子水平上找出最佳催化剂到底是什么。

由于已经证明所选材料是分解水的理想材料，下一步是调整其精确结构以获得更高的效率。

简单而有前途

Alexey Cherevan 强调，他们的方法相对于电解分解水的决定性优势在于其简单性。

最初，电制氢需要可支持的能源，如光伏电池，如电能存储设备和电解电池。

所有的情况都被考虑到了， 这导致包含大量原材料的相对复杂的系统。同时，对于光催化水分解，只需要一个合适的涂层表面，该表面已经被水覆盖，然后被太阳照射。

从长远来看，这种理解也可以在人工光合作用的帮助下产生高度复杂的分子。此外，甚至可以利用太阳辐射的能量从水和空气中用二氧化碳生成碳氢化合物。这可以另外用于其他应用程序。