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新型光解水制氫助催化劑研制成功

人氣:1364發表時間:2015-11-19 15:27:41

中國科學技術大學教授熊宇杰課題組設計出一類具有原子精度殼層結構的助催化劑,在降低貴金屬鉑助催化劑用量的同時,大幅度提高光解水制氫性能,為開發低成本、高性能光催化材料提供了新的途徑。該成果在線發表于《德國應用化學》,并被選為該期刊的“非常重要論文”。

光解水制氫是一種可以直接將太陽輻射能轉化為氫能的途徑。助催化劑可以促進太陽能產生的電荷與反應水分子的相互作用,已廣泛應用于光催化領域中。貴金屬鉑材料早已證實是一類優異的光解水制氫助催化劑,但由于其成本高,人們一直在尋找降低鉑用量的方法。

熊宇杰小組設計出一類具有原子精度殼層的鈀—鉑核殼結構助催化劑。這種設計利用鈀—鉑金屬間的電勢差作為半導體中光生電子的“運動”驅動力,使得電子自發地依次從半導體向金屬鈀、鉑“跑位”,最后聚集在金屬鉑殼層的外表面,從而驅動了金屬鉑表面的高效光解水制氫反應。合作者江俊教授通過理論模擬,描述了該電荷演化過程;路軍嶺教授課題組以一氧化碳為探針分子,在紅外光譜中清晰地反映出電荷在金屬鉑表面的選擇性聚集效應,從而證實了該作用機制。

該電子驅動作用機制針對金屬鉑殼層厚度提出了原子精度的高要求,為此研究人員相應發展了殼層厚度精準控制的合成方法,無需使用成本高昂的原子層沉積技術即可生長少數原子層厚度的金屬殼層。

熊宇杰表示,基于該技術,光解水制氫效率與無助催化劑的半導體光催化劑相比提高了322倍,比傳統純鉑助催化劑的半導體光催化劑體系提高8.2倍。同時,該設計以相對廉價的鈀內核替代了金屬鉑,使材料成本降低了1/3以上。

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