氣凝膠光催化劑促進(jìn)更高效的制氫

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zurich)的研究人員開發(fā)了一種新型光催化劑，這種催化劑由氣凝膠制成，可以更有效地產(chǎn)生氫氣。關(guān)鍵在于材料的精密預(yù)處理。

　　氣凝膠是一種非凡的材料，曾十多次打破吉尼斯世界紀(jì)錄，其中包括“世界上輕的固體"。

　　來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院多功能材料實(shí)驗(yàn)室的馬庫斯·尼德伯格(Markus Niederberger)教授已經(jīng)研究這些特殊材料有一段時(shí)間了。他的實(shí)驗(yàn)室專門研究由晶體半導(dǎo)體納米顆粒組成的氣凝膠。他說：“我們是世界上能夠生產(chǎn)這種高質(zhì)量氣凝膠的公司。"

　　基于納米顆粒的氣凝膠的一個(gè)用途是用作光催化劑。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)需要在陽光的幫助下啟動(dòng)或加速時(shí)，就會(huì)用到這種方法，例如氫氣的產(chǎn)生。

　　光催化劑的材料選擇是二氧化鈦(TiO2)，一種半導(dǎo)體。但是TiO2有一個(gè)主要的缺點(diǎn)：它只能吸收太陽光中的紫外線部分——僅占光譜總量的5%。如果光催化用于高效的工業(yè)用途，催化劑必須能夠利用更寬的波長范圍。

　　氮摻雜拓寬了光譜

　　這就是為什么尼德伯格的博士生Junggou Kwon一直在尋找一種新的方法來優(yōu)化由TiO2納米顆粒制成的氣凝膠。她想到了一個(gè)絕妙的主意：如果把二氧化鈦納米顆粒氣凝膠“摻雜"氮?dú)猓@樣材料中的單個(gè)氧原子就會(huì)被氮?dú)庠铀〈瑲饽z就可以進(jìn)一步吸收光譜中可見的部分。摻雜過程使氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)保持完整。對(duì)這種方法的研究最近發(fā)表在《應(yīng)用材料與接口(Materials & Interfaces)》上。

氣凝膠的海綿狀內(nèi)部結(jié)構(gòu)。(圖片來源：多功能材料實(shí)驗(yàn)室/蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院)

　　Kwon首先利用TiO2納米顆粒和少量的貴金屬鈀生產(chǎn)了氣凝膠，鈀在光催化氫氣生產(chǎn)中起著關(guān)鍵作用。然后，她將氣凝膠放入一個(gè)反應(yīng)器中，并將其注入氨氣。這使得單個(gè)的氮原子嵌入到TiO2納米顆粒的晶體結(jié)構(gòu)中。

　　改性氣凝膠使反應(yīng)效率更高

　　為了測試以這種方式改性的氣凝膠是否真的能提高所期望的化學(xué)反應(yīng)的效率——在這種情況下，是從甲醇和水中生產(chǎn)氫——Kwon開發(fā)了一個(gè)特殊的反應(yīng)器，她直接將氣凝膠整體放置在反應(yīng)器中。然后，她向氣凝膠中加入水蒸氣和甲醇，然后用兩個(gè)LED燈照射氣凝膠。氣體混合物通過氣凝膠的孔擴(kuò)散，在TiO2和鈀納米顆粒表面生成所需的氫氣。

　　Kwon在5天后停止了實(shí)驗(yàn)，但在此之前，反應(yīng)很穩(wěn)定，在測試系統(tǒng)中持續(xù)進(jìn)行。尼德伯格說：“這個(gè)過程可能會(huì)穩(wěn)定更長的時(shí)間。尤其是在工業(yè)應(yīng)用方面，盡可能長時(shí)間地保持穩(wěn)定是很重要的。"研究人員對(duì)反應(yīng)的結(jié)果也很滿意。添加貴金屬鈀顯著提高了轉(zhuǎn)化效率：使用含鈀的氣凝膠產(chǎn)生的氫氣比不使用鈀的氣凝膠多了70倍。

　　增加氣體流量

　　這個(gè)實(shí)驗(yàn)主要是作為可行性研究。作為一種新型的光催化劑，氣凝膠提供了*的三維結(jié)構(gòu)，并在除制氫外的許多其他有趣的氣相反應(yīng)方面有很大潛力。與今天普遍使用的電解技術(shù)相比，光催化劑的優(yōu)點(diǎn)是它們可以只用光而不是電來生產(chǎn)氫。

　　尼德伯格團(tuán)隊(duì)開發(fā)的氣凝膠是否會(huì)大規(guī)模使用還不確定。例如，還有一個(gè)問題是如何加速氣體通過氣凝膠；此時(shí)，極其微小的孔隙阻礙了氣體的流動(dòng)。“為了在工業(yè)規(guī)模上運(yùn)行這樣一個(gè)系統(tǒng)，我們首先必須增加氣體流量，同時(shí)改善氣凝膠的輻照度，"尼德伯格說。他和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在著手解決這些問題。

鑷子夾著由鈀和氮摻雜的TiO2納米顆粒組成的片狀氣凝膠。(圖片來源：Markus Niederberger/蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院)

　　（素材來自：ETH Zurich 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）

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