[2012年12月12日]

我组表面异相结促进光催化分解水制氢研究取得重要进展

我组在“太阳能光催化分解水制氢”研究方面取得重要进展,在以Ga2O3为基础的半导体催化剂研究中,发现当其表面形成α晶相与β晶相的相结时,可以大幅提高光催化分解水的活性。进一步的时间分辨光谱研究确认了表面异相结可以有效地促进光生电子与空穴的分离,揭示了提高光催化活性的本质。相关结果近期发表在《德国应用化学》杂志上(Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201207554), 并被选为当期的Hot Paper和Back Cover。美国化学与工程新闻(Chemical & Eingeering News)杂志以“A Twist On Water Splitting”为题对该工作进行了大篇幅报道(http://cen.acs.org/articles/90/i50/Twist-Water-Splitting.html)。同时,Wiley-MaterialsViews 对这一工作也进行了介绍。(http://www.materialsviewschina.com/2012/11/surface-heterogeneous-knot-can-significantly-improve-the-the-semiconductor-photocatalytic-decomposition-of-water-activity/)

光催化分解水制氢是利用太阳能制备燃料的最挑战反应之一,其中光激发产生的电子和空穴的有效分离和迁移是提高光催化效率的关键。大多数催化剂虽然具备了分解水的可能性,但由于光生电子-空穴对的分离效率很低,光催化分解水反应的活性很低。

2008年我组通过对TiO2的研究,初步发现结合在一起的锐钛矿与金红石可以催进光催化反应这一现象(Angew. Chem. Int. Ed., 120:1766-1769 2008),并在国际上率先提出了“异相结”的概念,经过最近四年的持续研究,又在以Ga2O3为基础的半导体光催化剂上发现表面异相结可以促进光催化分解水反应,并深入研究了其提高光催化活性的本质。

长期以来,在太阳能电池领域中,人们利用p-n结策略分离光生电子-空穴以实现太阳能光伏发电。在纳米半导体为基础的太阳能光催化分解水中,不同于p-n结的异相结可以提高半导体光催化剂中光生电子与空穴的分离效率,从而使异相结成为发展高效光催化剂的一个新策略,这一发现具有重要的科学意义和应用前景。

该研究工作得到了国家自然科学基金重大项目、中国科学院太阳能行动计划和科技部973项目的资助。(文/图 王翔)




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