科学家重组TiO2以制造绿色氢气

国际团队找到了将二氧化钛的光敏性延伸到可见光的新途径

 

来自加拿大国家科学研究所（INRS）的研究小组与ICPEES的法国研究人员携手为生产绿色氢气提供准备。他们使用的是重组过的TiO2 。研究结果发表在2020年11月的《太阳能材料和太阳能电池》。

 

经济合作与发展组织（OECD）中的多个国家和地区都将氢视为全产业链脱碳的关键角色。

 

根据INRS教授My Ali El Khakani的说法，魁北克可以在未来的能源事宜中为自己进行战略定位。物理学家和纳米材料专家补充说，“由于采用了高性能的纳米材料，我们可以提高水解离制氢的效率。这种‘清洁’燃料对于重型卡车和公共交通的脱碳越来越重要。例如，使用氢作为燃料的公共汽车已经在多个欧洲国家和中国使用。这些公共汽车排放的是水而不是温室气体。”

 

一直以来都是通过电解将水分子分解为氧气和氢气。然而，工业电解剂耗能高投资大。INRS和ICPEES的研究人员受到光合作用的启发，开发出经过特殊设计和构造的电极，可以在太阳光下分解水分子。

 

挑战……

 

为了最大限度地利用太阳能，研究团队选择了TiO2，这是一种对紫外线光敏感的半导体，仅占太阳辐照度的5％。研究团队利用专长，首先改变TiO2的原子组成，将其光敏性扩展到可见光，制造出能够吸收高达50％的太阳光的电极。旗开得胜！

 

随后，研究人员对电极进行了纳米结构化处理，形成了类似蜂窝状结构的TiO2纳米管网络。这种方法将电极的有效表面积扩展了10万倍或更多。El Khakani说：“纳米结构使材料的表面与体积之比最大化。例如，TiO2纳米结构可提供高达50m2/g的表面积。这是一个中型平板的表面积！”

 

电极制备的最后一步是“纳米装饰”，包含在原本无限的TiO2纳米管网络上沉积催化剂纳米颗粒，以提高其制氢效率。为了实现这一步骤，研究人员使用了激光烧蚀沉积技术，El Khakani在过去25年中在该领域积累了丰富的专业知识，他所面临的挑战不仅是控制催化剂纳米颗粒在TiO2纳米管基体上的尺寸、分散和锚定，还要寻找铱和铂等经典催化剂的平价替代品。

 

研究结果确定了氧化钴（CoO）作为裂解水分子的有效助催化剂，这是一种在魁北克地下非常容易找到的材料。两种材料的对照显示，与裸露的纳米管相比，CoO纳米颗粒使这些新型纳米装饰电极在可见光下的光催化效率提高了10倍。

 

上图为CoO纳米颗粒修饰的TiO2纳米管阵列(如蜂巢的蜂窝状细胞)的电镜图像。

 

参考文献：

 

'Comparative study of the photocatalytic effects of pulsed laser deposited CoO and NiO nanoparticles onto TiO2?nanotubes for the photoelectrochemical water splitting'?by Thomas Favet et al; Solar Energy Materials and Solar Cells, November 2020