中国科大广谱分解水制氢的光催化剂研究获进展

稿件来源:网站 发布日期 2017-05-08

      氢能是一种非常清洁且可储存运输的可再生能源,利用太阳能分解水制备氢气已成为一种备受关注的清洁新能源技术。无机半导体材料是目前应用最广的光催化活性物质,通常高光催化活性的半导体都具有宽带隙,使其只能吸收紫外光等短波太阳光,而紫外光只占太阳光全谱的5%左右,造成了充分利用太阳能的困难。因此,非常有必要发展能够广谱吸光并完成光催化转化的有机半导体材料。在目前众多方案中,由宽带隙半导体与窄带隙半导体所组成的Z型结构体系是实现全谱光催化的有效途径之一。近日,中国科学技术大学教授熊宇杰课题组基于阳离子交换合成路线,构筑了一类无贵金属的Z型光催化剂,在广谱光解水制氢方面展现出优异的性能。

  Z型光催化体系的能量转换效率主要取决于两个材料结构因素:(1)决定两种半导体之间的电荷转移效率的清晰界面结构;(2)提供发生还原和氧化反应位点的两种半导体的暴露表面结构。在过去发展的Z型光催化材料中,业界往往在两种半导体之间引入贵金属,以提高界面电荷转移效率。然而,贵金属的引入不但提高了材料成本,而且有可能会在贵金属处发生逆反应。因此,非常有必要在满足以上两个材料结构条件的同时,避免在其界面上使用贵金属。

熊宇杰课题组针对该系列挑战,以Cu7S4纳米晶体为前驱物,通过阳离子交换合成路线,将其转变为Cu7S4g-MnS构筑而成的双面神异质纳米结构。该结构不但同时满足了暴露表面和清晰界面结构要求,而且无需使用贵金属即可高效完成太阳能向化学能的转换。这两种半导体的带隙差异可以有效地实现互补型吸光,在全谱光照条件下展现出改善的光催化产氢性能。该研究进展为广谱光催化材料的设计开辟了一条新的思路,也对复合光催化剂的表界面设计研究具有推动作用。