中國科大提光解水制氫的新機(jī)制
利用太陽光分解水制氫，為人類提供清潔燃料，被視為化學(xué)的圣杯。水分解是吸熱反應(yīng)，傳統(tǒng)理論要求光催化劑的能隙至少要大于反應(yīng)吸熱(1.23eV)，因而占太陽光能量近一半的紅外光無法被吸收用來分解水制氫。楊金龍教授研究組提出具有內(nèi)稟電偶極矩的二維納米催化劑，可突破傳統(tǒng)理論對(duì)催化劑能隙的限制，用紅外光也可以分解水產(chǎn)生氫氣。這種催化劑存在偶極內(nèi)電場，吸附在催化劑兩個(gè)表面上的水分子會(huì)感受到不同的靜電勢(shì)，從而導(dǎo)致兩個(gè)表面上水的氧化還原電勢(shì)變得不再相同。如果氧化和還原分別發(fā)生在不同的表面，催化劑受到的能隙限制原則上將不再存在。在這一新的光解水機(jī)制中，不僅紫外光和可見光，紅外光也可以用來促使水分解產(chǎn)生氫氣。另外，這種催化劑的光激發(fā)是一個(gè)電荷轉(zhuǎn)移過程，電子和空穴分別產(chǎn)生在兩個(gè)不同的表面，催化劑固有偶極電場有效促進(jìn)了光生電子空穴對(duì)的空間分離，并做功幫助水分解產(chǎn)生氫氣?；谶@一機(jī)制，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種雙層氮化硼納米體系，其兩個(gè)表面分別用氫和氟修飾。理論計(jì)算與模擬表明這是一種有效的紅外光催化分解水體系。
這一工作大大擴(kuò)展了太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能中可利用的太陽光頻譜范圍，有望對(duì)未來新能源技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。英國物理學(xué)會(huì)（IOP）的物理世界網(wǎng)站發(fā)專文對(duì)此成果進(jìn)行了介紹和評(píng)價(jià)。上述研究得到了中國科學(xué)院、科技部、教育部和國家基金委的支持。
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