中新網(wǎng)北京10月8日電 (記者 孫自法)記者10月8日從中國科學(xué)院金屬研究所獲悉，該所太陽能與氫能材料研究團(tuán)隊(duì)最新研究發(fā)現(xiàn)，利用一種叫做“晶格工程”的策略，通過給光催化材料聚三嗪酰亞胺(PTI)“補(bǔ)鈣”改變生長的“配方”，成功讓它內(nèi)部的光生電荷更容易分開并且各行其道，從而提高太陽能光解水制氫效率。

　　這項(xiàng)光催化分解水制氫領(lǐng)域的重要研究成果論文，近日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》發(fā)表。該研究為調(diào)控聚合物半導(dǎo)體光催化材料的光物理屬性、推動(dòng)聚合物半導(dǎo)體材料在不同光能轉(zhuǎn)換場景中的應(yīng)用，提供了可參考的有效策略。

　　PTI制氫潛力巨大但效率較低

　　研究團(tuán)隊(duì)介紹說，PTI是一種碳氮聚合物半導(dǎo)體，因其低成本、環(huán)境友好、能帶結(jié)構(gòu)合適等特性，被認(rèn)為在開展低成本規(guī)模化全分解水制氫方面具有巨大潛力。

　　然而，當(dāng)前PTI的光催化分解純水制氫效率仍然較低，這主要?dú)w結(jié)于其作為聚合物材料的致命弱點(diǎn)：當(dāng)光照射時(shí)，PTI中成對(duì)產(chǎn)生的光生電荷包括帶負(fù)電、具有還原性的電子和帶正電、具有氧化性的“空穴”，會(huì)很容易被引力“綁定”在一起形成“激子”，并最終重新“擁抱”在一起消失掉，而非掙脫引力束縛變成“自由電荷”，分別前往還原和氧化反應(yīng)位點(diǎn)，參與到相應(yīng)的反應(yīng)中。

　　造成這一致命弱點(diǎn)的根本原因，是PTI作為一種聚合物，其具有高度對(duì)稱性的低極性共價(jià)鍵碳氮骨架中難以提供內(nèi)在的“驅(qū)動(dòng)力”，不能推動(dòng)以激子形式強(qiáng)力“綁定”在一起的電子和“空穴”向不同方向移動(dòng)。

　　因此，在這種情況下，即使少數(shù)“激子”能夠到達(dá)表面，也會(huì)使得產(chǎn)生氫氣的還原反應(yīng)和產(chǎn)生氧氣的氧化反應(yīng)發(fā)生在同一區(qū)域，就像在一個(gè)狹小空間里同時(shí)進(jìn)行洗衣和晾干，容易互相干擾，引發(fā)不必要的副反應(yīng)，從而降低效率。

　　實(shí)際上，光生電子和“空穴”形成束縛態(tài)“激子”且難以解離的問題，也是許多聚合物半導(dǎo)體材料在將光能轉(zhuǎn)化為其他能量形式時(shí)面臨的共同挑戰(zhàn)。

　　光催化材料“補(bǔ)鈣”效果顯著

　　在本項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)改變了PTI材料的生長環(huán)境和形核生長的基體。以往制備PTI時(shí)，使用的是氯化鋰和氯化鉀的混合熔鹽，并由熔鹽冷卻時(shí)析出的氯化鉀晶體作為PTI形核和生長的基體，得到的是PTI六棱柱晶體(PTI-LiK)。

　　通過改用氯化鋰和氯化鈣的混合熔鹽，由熔鹽冷卻時(shí)析出的氯化鈣晶體作為PTI形核和生長的基體，最終制備出一種鈣摻雜(即“補(bǔ)鈣”)PTI六棱納米盤(PTI-LiCa)，和傳統(tǒng)PTI-LiK相比，“補(bǔ)鈣”PTI-LiCa的“激子”中光生電子和“空穴”之間的結(jié)合能從PTI-LiK的48.2毫電子伏大大降低到15.4毫電子伏，比室溫下的熱擾動(dòng)能(25.7毫電子伏)還要低，也即在室溫環(huán)境的熱擾動(dòng)下，激子中的光生電子和“空穴”就會(huì)自動(dòng)“分手”，產(chǎn)生激子自發(fā)解離現(xiàn)象，形成自由電荷。利用先進(jìn)的超快光譜技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)親眼“看到”了這一解離過程。

　　此外，解離后自由的光生電子和“空穴”能夠朝著不同的方向移動(dòng)，就像沿著為它們規(guī)劃的“單行道”分道揚(yáng)鑣，從而在空間上分離了制氫和制氧的反應(yīng)位點(diǎn)，這有效避免了相互干擾和副反應(yīng)的發(fā)生。

　　研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)表示，得益于“補(bǔ)鈣”產(chǎn)生的功效，光催化劑分解純水初始制氫活性提高了3.4倍。(完)