新型矽納米結構太陽能光催化制氫研究

《新型矽納米結構太陽能光催化制氫研究》是依託中國科學院理化技術研究所，由歐雪梅擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：新型矽納米結構太陽能光催化制氫研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：歐雪梅
• 依託單位：中國科學院理化技術研究所

項目摘要

太陽能的利用是解決人類能源問題的根本出路之一，利用太陽光催化分解水制氫自1970年代初提出後便引起了人們的注意，但到目前為止，由於所用的催化劑大都為過渡金屬氧化物半導體，帶隙較寬，對太陽光譜中的可見光幾乎沒有吸收，所以對太陽光的利用效率很低。本申請擬採用帶隙較窄，對太陽光有良好吸收能力的矽納米結構作為光催化劑，針對矽材料的導帶電位足以還原水制氫，而頻寬比分解水的能量稍小的特點，擬由三條途徑探索矽納米結構太陽能光催化制氫：⑴ 以工業廢氣硫化氫作為質子犧牲體，用矽納米結構光催化分解硫化氫制氫；⑵ 製備矽的複合納米結構，構築氧化還原電對輔助的雙半導體系統，光催化分解水制氫；⑶ 合成並修飾具有量子效應的矽納米結構，使得矽的能帶滿足分解水的要求，探索光催化制氫。本項目的研究將為發展新的太陽能光催化制氫材料體系提供理論和實驗依據。

結題摘要

本項目提出以帶隙較窄，對太陽光有良好吸收能力的矽納米結構作為光催化劑，針對矽材料的導帶電位足以還原水制氫，而頻寬比分解水的能量稍小的特點，擬由不同途徑探索矽納米結構太陽能光催化制氫。 經過三年的努力，我們按照項目計畫基本完成了項目的預期目標，在Adv. Mater.等學術期刊上發表研究論文7篇，申請專利7項。尤其是在矽納米結構的控制合成及其表面修飾兩方面取得了重要進展。矽在吸收太陽光後會產生光生載流子，但一維矽納米線特殊的形貌使得它能夠將收集距離縮短到納米尺度，因此可以極大地提高太陽能的轉換效率，有利於實現高效光催化制氫。我們發展了化學腐蝕、掩膜光刻和反應離子刻蝕等多種技術，實現了可控制備大面積納米線、納米柱、納米洞和納米管等多種納米形貌。為利用矽納米結構實現光催化制氫奠定了基礎。 利用矽納米結構作為光催化劑也面臨著挑戰。這主要是因為矽納米線表面化學活性較高，影響催化劑壽命；另外納米線直徑越小，其比表面積將會按指數增大，因而表面缺陷將會增多。這意味著在矽納米線上更短的徑向載流子分離距離通常意味著更低的載流子分離效率。針對這些問題，項目創新性的提出利用電聚合的方法在矽納米線表面形成納米尺度的有機膜，通過最佳化，增強有機膜的電輸運能力，降低它的光吸收能力。利用矽納米線實現了穩定高效的光催化制氫。 基於在矽納米結構的控制合成及其表面修飾兩方面的成功，項目研究了光催化分解甲醇、乙醇等生物質衍生物，以及在I3-/I-離子對存在下光催化分解水制氫，其光催化效率均達到國際水平。 但項目的進行過程中也出現了一些失敗的結果。如利用H2S光催化制氫中，並未取得預期的結果。這主要是因為H2S在光分解的過程中會形成納米尺度的S晶體，形成沉澱並包覆在催化劑的表面，隔離催化劑和溶液中H2S的進一步反用。這說明雖然科學原理並無紕漏，但催化反應的流程設計及實驗技術上還需要進一步完善，預期隨著納米技術的不斷進步，這一問題能在以後的研究中逐步得到解決。