在探索可再生能源的征途中，光催化水分解制氫技術(shù)被視為連接太陽能與化學(xué)能的重要橋梁，對于減輕對化石燃料的依賴及改善環(huán)境質(zhì)量具有深遠意義。近日，中國科學(xué)院金屬研究所傳來了一項突破性進展。
研究團隊巧妙地利用稀土元素鈧，對傳統(tǒng)的光催化材料二氧化鈦進行了革新設(shè)計，開辟了一條高效制氫的新路徑。他們通過精心策劃的“元素替代”與“結(jié)構(gòu)優(yōu)化”策略，成功地在二氧化鈦中引入了鈧元素，這一創(chuàng)新舉措不僅顯著改善了材料的性能，還極大地提升了光催化制氫的效率。
傳統(tǒng)的太陽能制氫方法主要包括發(fā)電后電解水和直接光解水兩種。盡管二氧化鈦被譽為“光催化材料之星”，但其內(nèi)部被激活的電子與空穴容易重新結(jié)合，加之高溫制備過程中容易形成的原子級缺陷，嚴重制約了其制氫效率的提升。
為了克服這些挑戰(zhàn)，科研團隊選擇了稀土元素鈧作為“秘密武器”。鈧的離子半徑與鈦相近，能夠巧妙地中和氧空位引起的電荷失衡，并且有能力重新排列晶體中的原子結(jié)構(gòu)。當團隊在二氧化鈦中引入5%的鈧原子后，奇跡般地制備出了具有特定晶面組合的金紅石相二氧化鈦。這種新材料內(nèi)部形成了類似“電荷高速公路”的結(jié)構(gòu)，以及強大的電場，從而極大地提高了光生電荷的分離效率。
實驗結(jié)果顯示，經(jīng)過改造的半導(dǎo)體光催化材料在性能上實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。光生電荷的分離效率提升了200多倍，量子利用率更是突破了30%的大關(guān)，產(chǎn)氫效率相較于改造前提高了驚人的15倍。這一成果不僅為光催化制氫技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力，也為未來能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級提供了強有力的支撐。
