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清洁能源“点金石”:高效光解水催化剂问世

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光环. 发表于  2013-12-20 12:10

倘若有一种神奇的催化剂,能够只依靠太阳光完全分解水,生成氢气和氧气,那么人类也许可以永远摆脱能源危机的阴影。而如今,休斯顿大学包吉明教授的团队又朝着目标前进了一大步——他们发现氧化钴纳米晶可以高效催化水在太阳光下的分解反应。这项研究成果发表在本周的《自然-纳米技术》上。

催化光解水是一项自上世纪七十年代以来被广泛关注的领域。包吉明团队的突破之处,在于光源由可见光而非传统的紫外光充当,而且无须消耗性材料和助催化剂,即可使水完全分解为氢气与氧气。光能-化学能转化效率(按氢气产量计算)从过去使用人造树叶时的0.1%提升到了5%。

包吉明团队所使用的氧化钴(II)纳米晶的透射电子显微镜图像。图片来源:Longb Liao, et al.(2013)Nature Nanotechnology.

研究者通过球磨法及飞秒激光烧蚀法制备得到性质完全一致的氧化钴(II)纳米晶(CoO nanoparticles),将它们悬浮在呈中性的水里,装满烧瓶,再用一束由固态激光器发射的激光(波长为532nm)或由AM 1.5G(地表标准化太阳能)太阳模拟灯发出的光自烧瓶底部向上照射。瓶中产生的混合气体被注射器采样,通过装有热导检测器(TCD)的气相色谱(GC)分离。气相色谱分析结果表明,在光的照射和氧化钴纳米晶的催化下,水发生分解生成氢气和氧气。

图a:气相色谱的分析结果。氢气(H2)和氧气(O2)的比值非常接近预期的2:1,预示水的完全分解。此外,没有检测到明显的氮气信号,证明烧瓶气密性良好,氧气来源并非外界大气。图b:水在约15mg氧化钴纳米晶的催化下光解产生的氢气和氧气的量。氢气与氧气的生成源于光照,并与光照功率正相关。图片来源:Longb Liao, et al.(2013)Nature Nanotechnology.

为了证实生成的氧气中不含氧化钴纳米晶中的氧原子,实验团队又以18O标记的水为材料重复了实验,并通过质谱(MS)和残余气体分析仪(RGA)确认了氧原子来源仅为水。另外,水的pH值在反应前后保持一致,也表明水被完全分解了。

实验团队还发现,氧化钴微粉在相同条件下却不具有催化光解水的能力。根据电化学阻抗谱分析的结果,这种差异可能是由于氧化钴微粉被制备成纳米晶后,导带与价带比粉末状态时整体上移,从而使水的析氢电位和析氧电位落在其能隙区域。藉此,氢气和氧气可以从水中分解析出。

氧化钴微粉(Micropowder,左)和氧化钴纳米晶(Nanoparticles,右)的能带分布。图片来源:Longb Liao, et al.(2013)Nature Nanotechnology.

尽管应用前景广阔,氧化钴纳米晶仍面临一个巨大的难题——“它的寿命太短暂了。”包吉明说。参与反应仅仅约1小时后,氧化钴纳米晶就失去了活性。透射电镜(TEM)显示失活的氧化钴纳米晶相互聚集,表明它们的表面可能已经被腐蚀或氧化了。研究者指出,选取合适的半导体粒子担当助催化剂或许能够排除掉这个阻碍。

包吉明及其实验团队的这项研究进展为人类寻求新一代清洁能源带来了又一曙光。随着含钴催化剂在人工光合作用领域大放异彩,世界能源结构向绿色能源调整的步伐将日益加快。

12月20日更新:

就以上研究结果,果壳网对该论文的通讯作者、休斯顿大学的包吉明教授进行了采访。

果壳网:读者非常关心这种技术在新能源开发领域发挥的作用。相比与以往的探索,目前这项研究最重要的突破与意义是什么?

包吉明:这项研究的主要突破在于合成了一种高效的单组分CoO纳米晶可见光催化剂,其光解水制氢效率达到了5%,相较于之前报道的0.1%提高了近40-50倍,同时催化剂的合成过程简单,操作简便,成本较低,适合进行大规模生产。而本研究的重要意义主要体现在探索了一种新型的高效可见光催化剂,为光解水的研究提供了一种新的思路。

果壳网:论文指出氧化钴晶的能带相对于氧化钴微粉有一个明显的迁移,可能是什么因素造成了氧化钴纳米晶相对于氧化钴微粉的这些变化?

包吉明:本研究中,纳米材料表面态、形貌以及晶体结构的变化可能引起能带的变化。CoO纳米晶尺寸的变化也可能引起微小变化。由于纳米材料尺寸减小引起量子限域效应,能带也会同时发生相应的调整。具体原因仍需要进一步的实验证明,而相关研究工作也正在进行之中。

果壳网:如果这项技术要走向应用,如何克服氧化钴晶的快速失活?纳米级氧化钴发生的聚集与其失活之间是否存在因果关系?

包吉明:催化剂的寿命是评价催化剂性质的重要指标,本文中,造成CoO纳米晶的催化活性降低的原因可能是CoO纳米晶表面结构或者晶体结构发生了变化,导致活性位的缺失。当然,催化剂的团聚现象也可能是导致催化活性降低的一个重要原因。我们希望通过将CoO纳米晶与具有高表面积的材料,例如石墨烯等进行复合,从而使CoO纳米晶均匀分布于材料表面,在保持CoO纳米晶的活性的同时也有效的抑制纳米颗粒的团聚;或者将CoO纳米晶与铂等贵金属材料结合形成多组分纳米异质结结构,提高电子与空穴的分离效率,达到提高催化活性的目的。

果壳网:根据以往的经验,如果有合适的半导体粒子作为助催化剂,将能减少逆反应的发生。在氧化钴晶这个催化体系中,是否也有需要寻找这样的助催化剂?

包吉明:在本文的催化体系中,除了原料水和催化剂CoO纳米晶以外,没有添加任何其他的化学助剂,因此发生副反应的几率较小,然而催化剂的稳定性有待提高。因此,寻找一种合适的助催化剂将有效提高CoO纳米晶的催化寿命,但是助催化剂的类型不仅仅局限于纳米粒子,具有多孔或者层状结构的纳米材料同样可以作为高效的助催化剂。

果壳网:接下来还有哪些问题有待阐明,面临的主要困难又是什么?

包吉明:接下来的工作主要集中在两方面,一是如何提高CoO纳米晶的稳定性以及延长催化寿命,二是通过系统研究CoO纳米晶的光催化反应,找到催化剂的响应波长以及催化剂最佳尺寸范围,从而进一步研究光催化机理。

 

 

信息来源:EurekAlert!

文章题图:shutterstock友情提供

 

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全部评论(21)
  • 1楼
    2013-12-19 15:17 Calo 果壳科技编辑

    转化效率的上限是多少..
    快点进入光解水-氢能-拿一部分来造催化剂-光解水-氢能-拿一部分来造催化剂-光解水...的时代吧!

    [0] 评论
  • 2楼
    2013-12-19 16:07 scmccr
    引用@Calo 的话:转化效率的上限是多少..快点进入光解水-氢能-拿一部分来造催化剂-光解水-氢能-拿一部分来造催化剂-光解水...的时代吧!

    永动机get的节奏(只要有太阳)

    [0] 评论
  • 3楼
    2013-12-19 18:14 引力波

    热力学第二定律的限制。

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  • 4楼
    2013-12-19 18:31 忧伤的尼姑

    强大。按照现有情况还离真正可以应用还是有一定距离的

    来自NOKIA Lumia 620
    [0] 评论
  • 5楼
    2013-12-19 19:07 光环.
    引用@Calo 的话:转化效率的上限是多少..快点进入光解水-氢能-拿一部分来造催化剂-光解水-氢能-拿一部分来造催化剂-光解水...的时代吧!

    催化剂都要纳入体系会不会太……懒……了……

    [0] 评论
  • 6楼
    2013-12-19 23:08 Solidhelium

    南大不是有个老师在做这个么

    [0] 评论
  • 7楼
    2013-12-20 10:05 ncsglz


    人类社会革*后谐*命又要来了么?

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  • 8楼
    2013-12-20 22:54 bluesky365

    万物生长靠太阳的节奏

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  • 9楼
    2013-12-20 23:23 校东食堂暖水壶

    个人认为从无序度向有序度的纯化工反应难以一蹴而就。

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  • 10楼
    2013-12-22 00:24 曲速一

    从下往上照,阳光的话就只能侧照或加压降低气泡体积了........

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  • 11楼
    2013-12-22 14:16 左左诅咒 无机化学硕士生


    下一步的工作应该是将氧化钴纳米晶封装在介孔材料里面 以提高其稳定性

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  • 12楼
    2013-12-22 17:29 None

    万物生长靠太阳的节奏

    [0] 评论
  • 13楼
    2013-12-22 21:11 光环.
    引用@左左诅咒 的话:下一步的工作应该是将氧化钴纳米晶封装在介孔材料里面 以提高其稳定性


    差不多 原po说的用石墨烯~总之不团聚就行……

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  • 14楼
    2013-12-22 21:32 冷眼看世界2392440033

    额,这 是个重大突破额

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  • 15楼
    2013-12-27 10:15 凌云隐士

    这绝对是个重大突破,只要解决失活问题,再把效率提高一些,那就逆天了,这个方案比太阳能电池好的地方是氢气和氧气是可以储存的,以后氢氧燃料电池可以大行其道了。

    [0] 评论
  • 16楼
    2013-12-31 14:14 kaistar巨蟹

    根据能量守恒定律,显然生成的氢气燃烧释放的能量要来源光照的能量吧,使水分解吸收的能量要大于释放的能量,不知道这个能量效率能达到多大,,我觉的可以从光合作用的光反应过程得到启发,来寻找催化剂,不过太阳能光的能量密度很低,我看未来还是研究新型核聚变吧,毕竟太阳能也是来自核聚变。

    [0] 评论
  • 17楼
    2014-02-21 10:32 果壳巨型问号

    直接把地球所有的水都分解了,去其他星球掠夺吧。。

    [0] 评论
  • 18楼
    2014-02-22 09:37 科学之路
    引用@nan_無 的话:直接把地球所有的水都分解了,去其他星球掠夺吧。。

    貌似氢气燃烧后不就是又是水了么?

    [0] 评论
  • 19楼
    2014-02-24 13:37 果壳巨型问号
    引用@科学之路 的话:貌似氢气燃烧后不就是又是水了么?


    去其他星球掠夺点别的呗。。

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  • 20楼
    2014-03-23 15:12 科学之路

    貌似我们不在一个频道上。。。。

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  • 21楼
    2014-06-03 22:57 Muse_xixi
    引用@kaistar巨蟹 的话:根据能量守恒定律,显然生成的氢气燃烧释放的能量要来源光照的能量吧,使水分解吸收的能量要大于释放的能量,不知道这个能量效率能达到多大,,我觉的可以从光合作用的光反应过程得到启发,来寻找催化剂,不过太阳能...

    最后几句高能_(:з」∠)_

    [0] 评论

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