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多孔纳米光催化剂中的量子限制

近年来,由于氢是一种高能量密度的燃料,利用太阳能水裂解生产绿色氢气引起了人们的极大兴趣。由香港大学(CITYU)和德国学者共同领导的一个研究小组在3D有序大孔结构的光催化剂中发现了量子限制效应。量子限制效应被发现能够在可见光下产生氢气。这些发现为解决能源和环境挑战提供了一种选择。

这项研究由城市大学能源与环境学院(SEE)副教授吴云厚博士和德国研究人员共同领导。他们的发现发表在科学杂志《ACS能源快报》上,标题为“揭示周期性多孔BiVO4光催化剂中的载流子动力学,以增强太阳能水分解。”

产氧光催化剂的新产氢功能

光催化研究专家Ng博士指出,典型的太阳能水分解光催化剂只能吸收太阳光谱中的紫外线,约占太阳光能量的4%。相比之下,钒酸铋(BiVO4)是一种对紫外线和可见光都有响应的金属氧化物光催化剂,可以吸收太阳光谱中高达30%的能量。

三维有序大孔(3DOM)结构中的BiVO4由于其优越的性能而备受关注。这种结构的光催化活性的提高通常归因于更大的表面积、高的光吸收和抑制的电荷复合。

然而,目前还没有系统研究高度有序多孔纳米结构的电荷输运对光活性的影响。Ng博士和他的团队接受了这一挑战,并研究了3DOM和板状BiVO4样品的不同载流子动力学,以及它们在光催化中的效率。

研究小组发现,在可见光下分解水的过程中,3DOM BiVO4光催化剂产生的氧气量几乎是平板状BiVO4产生的氧气量的两倍。此外,3DOM BiVO4光催化剂显示出比板状形式更高的阳极光电流密度。因此,3DOM BiVO4具有较高的光催化效率。Ng博士说:“令我们惊讶的是,BiVO4最初是一种产氧光催化剂,当它处于3DOM结构时,在可见光下分解水的过程中也会产生氢气。这以前从未被报道过。”。

发现量子限制效应

3DOM结构中的BiVO4如何产生氢气?论文的第一作者吴浩博士是吴博士实验室的能量流领导者,他分享了这项研究的一个亮点。“我们发现,3DOM BiVO4超薄晶体壁产生的量子限制提高了其导带。它使光催化质子在可见光照明下还原为氢,从而使水分解生成氢。”量子限制是指当材料尺寸减小到纳米级时,电子和光学性质(如能级和带隙)的变化。

Ng博士解释说:“由于BiVO4的导带位置,通常不能产生氢。现在,由于量子限制效应提高了其导带,氢可以产生。这也是首次在3DOM BiVO4中发现量子限制效应。”。

研究小组还发现,即使不使用助催化剂,3DOM-BiVO4仍然可以在可见光照明下从溶液中产生氢气,而板状BiVO4的产氢量可以忽略不计。助催化剂是一种促进催化剂功能的物质。它可以为光生电荷提供积累位置,并促进电荷分离。

该团队还应用了先进的技术,包括时间分辨微波电导率,来研究3DOM和板状结构中的BiVO4光催化剂。他们发现,与板状结构相比,3DOM BiVO4的电荷迁移率高约6倍,载流子寿命长约18倍,有效扩散长度长约9倍,从而提高了光催化效率。

下一个目标:废水分流

这项研究是理解金属氧化物半导体和高度有序多孔结构中电荷输运的基本步骤。

吴博士和他的团队的下一个目标是分离废水,探索扩大光催化系统规模的方法。Ng博士说:“太阳能水分解产生的氢气是一种无碳排放的绿色工艺。”。“氢气可用于工业用途和发电用燃料电池。我们预计这项技术在未来将有更广泛的应用,因为人们对利用绿色资源生产氢气的需求很高。”