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研究團隊開發(fā)出有機半導(dǎo)體光催化劑 更有效地利用太陽能制氫

2020-02-18 12:09  來源:孜然實驗室  瀏覽:  

顯著增強氫氣產(chǎn)生的有機半導(dǎo)體光催化劑可開發(fā)更有效的能量存儲技術(shù)。
 
化石燃料的燃燒正在導(dǎo)致危險的氣候變化,從而推動了對更清潔可再生能源的尋找。迄今為止,太陽能是最豐富的可再生能源,但要釋放其潛力,需要一種方法來存儲它以備后用。
 
儲存太陽能的標(biāo)準(zhǔn)方法是使用析氫光催化劑(hydrogen evolution photocatalysts,HEP)將能量儲存在分子氫的化學(xué)鍵中。當(dāng)前,大多數(shù)HEP由單組分無機半導(dǎo)體產(chǎn)生。這些只能吸收紫外線波長的光,這限制了它們產(chǎn)生氫的能力。
 
由KAUST太陽能中心的伊恩·麥卡洛克(Iain McCulloch)領(lǐng)導(dǎo)的團隊與來自美國和英國的研究人員合作,現(xiàn)已開發(fā)出由兩種不同的半導(dǎo)體材料制成的HEP。他們將這些材料摻入有機納米粒子中,可以對其進行調(diào)整以吸收更多的可見光譜。
 
該研究的第一作者揚·科斯科(Jan Kosco)說:“傳統(tǒng)上,無機半導(dǎo)體已用于光催化領(lǐng)域。但是,這些材料主要吸收紫外光,其可利用的太陽光不到太陽光譜的百分之五。因此,它們的效率受到限制。”
 
該團隊首先使用了一種稱為微乳液(miniemulsion)的方法,其中有機半導(dǎo)體的溶液借助穩(wěn)定的表面活性劑在水中乳化。接下來,他們加熱乳液以去除溶劑,剩下表面活性劑穩(wěn)定的有機半導(dǎo)體納米顆粒。
 
通過改變表面活性劑,它們能夠控制納米顆粒的結(jié)構(gòu),將它們從核-殼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌系墓w/受體結(jié)構(gòu)。共混結(jié)構(gòu)使它們能夠在供體聚合物和非富勒烯受體之間引入異質(zhì)結(jié)。
 
科斯科解釋說:“兩種結(jié)構(gòu)以相同的速率吸收光,但是在核-殼結(jié)構(gòu)中,只有光生空穴到達表面;然而,在混合結(jié)構(gòu)中,空穴和電子都到達納米粒子的表面,從而增強氫氣的產(chǎn)生。
 
HEP表現(xiàn)出的氫釋放速率比單組分無機HEP所能達到的氫釋放速率高一個數(shù)量級。這為下一代儲能技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
 
麥卡洛克說:“我們目前正在研究由半導(dǎo)體的不同混合物形成的納米粒子的性能,以更好地了解其結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系。我們正在尋求為其他光催化反應(yīng)設(shè)計納米粒子光催化劑,例如生成氧氣或二氧化碳還原。”
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