金屬研究所在光解水制氫研究方面取得進(jìn)展
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】氫能是二次能源，具有清潔、高效、安全、可貯存、可運(yùn)輸?shù)戎T多優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著對(duì)環(huán)境問題的重視程度加深，尋找新能源的研究越來越受到人們的關(guān)注，氫能也受到了高度重視。光解水制氫技術(shù)始自1972年，由日本東京大學(xué)Fujishima A和Honda K兩位教授首次報(bào)告發(fā)現(xiàn)TiO2單晶電極光催化分解水從而產(chǎn)生氫氣這一現(xiàn)象，從而揭示了利用太陽能直接分解水制氫的可能性，開辟了利用太陽能光解水制氫的研究道路。
太陽能光催化分解水制氫是獲取綠氫極具潛力的技術(shù)，其走向應(yīng)用的關(guān)鍵是發(fā)展高效穩(wěn)定的半導(dǎo)體光催化材料。鐵電光催化材料(例如PbTiO3、BiFeO3、Na0.5Bi0.5TiO3和Bi3TiNbO9)由于具有能夠促進(jìn)光生載流子分離的內(nèi)建電場(chǎng)而廣受關(guān)注。其中，Bi3TiNbO9是一種奧里維里斯(Aurivillius)型層狀鐵電光催化材料，具有沿a軸方向的退極化場(chǎng)，該內(nèi)建電場(chǎng)源自(Bi2O2)2+層中的鉍原子和(BiTiNbO7)2-中的氧原子發(fā)生偶極相互作用而產(chǎn)生晶格畸變。在退極化場(chǎng)驅(qū)動(dòng)和層間擴(kuò)散約束下，電子傾向于富集在{001}面，而空穴富集在{110}面，從而實(shí)現(xiàn)了光生電荷和反應(yīng)位點(diǎn)的空間分離。然而，Bi3TiNbO9中產(chǎn)生的光生電子沿層間(c軸)傳輸?shù)哪軌据^大，光生電荷分離不足，限制了該材料的光催化全分解水活性。
中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心劉崗團(tuán)隊(duì)前期圍繞PbTiO3鐵電材料研究了鐵電特性在光催化分解水中的作用，同時(shí)對(duì)層狀鐵電材料展開了深入探究，發(fā)現(xiàn)將Bi3TiNbO9片狀顆粒的表面終端層從(Bi2O2)2+層調(diào)變?yōu)?BiTiNbO7)2-層能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定地光催化全分解水。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)與合作者近期提出了利用梯度W摻雜在Bi3TiNbO9片狀顆粒的c軸方向引入額外的內(nèi)建電場(chǎng)助力光催化全分解水。
該研究在Bi3TiNbO9片狀顆粒中進(jìn)行梯度的W摻雜，引入額外的內(nèi)建電場(chǎng)，用于克服光生電子在(Bi2O2)2+層和(BiTiNbO7)2-層之間的勢(shì)壘，將光生電子激發(fā)到基面{001}晶面，從而打破層狀Bi3TiNbO9光催化材料全分解水的瓶頸。
相關(guān)研究成果以Gradient tungsten-doped Bi3TiNbO9 ferroelectric photocatalysts with additional built-in electric field for efficient overall water splitting為題發(fā)表于《自然-通訊》(Nature Communications)。
來源： 金屬研究所
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