由UNIST能源與化學(xué)工程學(xué)院Jungki Ryu教授和浦項(xiàng)科技大學(xué)(POSTECH)Soojin Park教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在混合硅光催化劑的開發(fā)方面取得了重大突破。這種創(chuàng)新催化劑利用太陽能高效生產(chǎn)氫氣和高價(jià)值化合物，標(biāo)志著綠色制氫技術(shù)向前邁出了步。
新開發(fā)的光催化劑既無毒又環(huán)保，解決了以前催化劑對陽光不敏感或存在毒性問題的局限性。硅基光催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的光吸收特性，使其能夠高效利用太陽能。此外，這些無毒材料在生產(chǎn)過程中不會排放有害化學(xué)物質(zhì)。
由于缺乏合適的催化劑，先前的研究在實(shí)現(xiàn)氫氣和高價(jià)值化合物的連續(xù)生產(chǎn)方面面臨著挑戰(zhàn)。在強(qiáng)堿條件下使用有毒催化劑常常導(dǎo)致環(huán)境污染問題。此外，由于在反應(yīng)過程中傳統(tǒng)硅光催化劑上形成了氧化層，隨著時(shí)間的推移，它會對氫氣的生產(chǎn)效率產(chǎn)生負(fù)面影響。
為了克服這些障礙，研究小組通過將鎳摻雜石墨烯量子點(diǎn)均勻涂覆在2至3納米厚的硅片表面，開發(fā)了一種混合硅光催化劑。與傳統(tǒng)的硅光催化劑相比，經(jīng)過修飾的表面能夠顯著提高產(chǎn)氫效率，達(dá)到令人印象深刻的 14.2 mmol gcat−1 h−1 的產(chǎn)氫效率，相當(dāng)于性能提高了約 28 倍。
此外，通過使用生物質(zhì)代替水(一種源自生物來源的有機(jī)物質(zhì))的氧化反應(yīng)，混合硅光催化劑展示了其在生產(chǎn)氫氣的同時(shí)生產(chǎn)高價(jià)值化合物的能力。該催化劑還保持了 98% 的原始形態(tài)，確保了長期穩(wěn)定性。
Ryu教授表示：“之前關(guān)于制氫的研究僅限于吸收紫外線或涉及有毒催化劑的光催化劑。我們的無毒且經(jīng)濟(jì)高效的硅光催化劑是一項(xiàng)重大進(jìn)步，因?yàn)樗軌蛲ㄟ^卓越的太陽能吸收實(shí)現(xiàn)高效的氫氣生產(chǎn)。”
Park教授補(bǔ)充道：“利用鎳摻雜石墨烯量子點(diǎn)的表面改性技術(shù)不僅可以應(yīng)用于硅光催化劑，還可以應(yīng)用于各種其他類型的光催化劑，為能源應(yīng)用開辟了新的可能性。”
該研究由Yuri Choi(UNIST能源與化學(xué)工程學(xué)院研究助理教授)和Sungho Choi(POSTECH先進(jìn)材料科學(xué)碩士/博士聯(lián)合項(xiàng)目)共同參與。這項(xiàng)研究的結(jié)果于 2023 年 7 月 27 日發(fā)表在 《Advanced Materials》 上。這項(xiàng)研究得到了韓國科學(xué)和信息通信部資助的韓國國家研究基金會 (NRF) 以及基礎(chǔ)研究基金的資助。由韓國教育部資助的 NRF 科學(xué)研究計(jì)劃。
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