氣凝膠光催化劑促進更高效的制氫

蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)的研究人員開發了一種新型光催化劑，這種催化劑由氣凝膠制成，可以更有效地產生氫氣。關鍵在于材料的精密預處理。

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

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

　　基于納米顆粒的氣凝膠的一個用途是用作光催化劑。當化學反應需要在陽光的幫助下啟動或加速時，就會用到這種方法，例如氫氣的產生。

　　光催化劑的材料選擇是二氧化鈦(TiO2)，一種半導體。但是TiO2有一個主要的缺點：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化由TiO2納米顆粒制成的氣凝膠。她想到了一個絕妙的主意：如果把二氧化鈦納米顆粒氣凝膠“摻雜"氮氣，這樣材料中的單個氧原子就會被氮氣原子所取代，氣凝膠就可以進一步吸收光譜中可見的部分。摻雜過程使氣凝膠的多孔結構保持完整。對這種方法的研究最近發表在《應用材料與接口(Materials & Interfaces)》上。

氣凝膠的海綿狀內部結構。(圖片來源：多功能材料實驗室/蘇黎世聯邦理工學院)

　　Kwon首先利用TiO2納米顆粒和少量的貴金屬鈀生產了氣凝膠，鈀在光催化氫氣生產中起著關鍵作用。然后，她將氣凝膠放入一個反應器中，并將其注入氨氣。這使得單個的氮原子嵌入到TiO2納米顆粒的晶體結構中。

　　改性氣凝膠使反應效率更高

　　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反應的效率——在這種情況下，是從甲醇和水中生產氫——Kwon開發了一個特殊的反應器，她直接將氣凝膠整體放置在反應器中。然后，她向氣凝膠中加入水蒸氣和甲醇，然后用兩個LED燈照射氣凝膠。氣體混合物通過氣凝膠的孔擴散，在TiO2和鈀納米顆粒表面生成所需的氫氣。

　　Kwon在5天后停止了實驗，但在此之前，反應很穩定，在測試系統中持續進行。尼德伯格說：“這個過程可能會穩定更長的時間。尤其是在工業應用方面，盡可能長時間地保持穩定是很重要的。"研究人員對反應的結果也很滿意。添加貴金屬鈀顯著提高了轉化效率：使用含鈀的氣凝膠產生的氫氣比不使用鈀的氣凝膠多了70倍。

　　增加氣體流量

　　這個實驗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*的三維結構，并在除制氫外的許多其他有趣的氣相反應方面有很大潛力。與今天普遍使用的電解技術相比，光催化劑的優點是它們可以只用光而不是電來生產氫。

　　尼德伯格團隊開發的氣凝膠是否會大規模使用還不確定。例如，還有一個問題是如何加速氣體通過氣凝膠；此時，極其微小的孔隙阻礙了氣體的流動。“為了在工業規模上運行這樣一個系統，我們首先必須增加氣體流量，同時改善氣凝膠的輻照度，"尼德伯格說。他和他的團隊已經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/蘇黎世聯邦理工學院)

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