@ 2017.04.02 , 13:00

人工光合作用的新进展

美国莱斯大学的科学家创造了一种有效、便于制造的析氧催化剂,与半导体搭配能实现光解水,将太阳能转换为氢和氧形式的化学能。

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莱斯大学和休斯顿大学研究者合作创造了一种新的催化剂,详见后文

化学系教授Kenton Whitmire的实验室与休斯顿大学研究者合作,发现直接在吸光纳米棒阵列表面增加一层活性催化剂能产生人工光合材料,实现这种光吸收材料理论极限下的光解水。

析氧催化剂将水分子分解为氢和氧。许多研究均致力于找到一种清洁可再生的方式产生氢燃料,但这些技术尚未实现商业化。
莱斯大学研究团队提出了一种新的方法,该方法结合三种充足的物质——铁,锰和磷,生成一种前驱物,可被直接放置在任何基质上而不损坏该基质。

为了验证这种材料,该实验室将该前驱物放置到定制化学气相沉积(CVD)炉里,覆盖一个吸光半导体二氧化钛纳米棒阵列。结合后的材料被称为光电阳极,在达到10毫安每平方厘米的电流密度的时候仍然具有绝佳的稳定性。

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上图为均匀覆盖催化剂的二氧化钛纳米棒阵列

该研究成果已被应用于两项新研究中,一个是薄膜制作,发表在化学:欧洲杂志上,另一个是光电二极管的制造,发表在美国化学学会纳米上。

Whitmire说该催化剂是由一种分子前驱物分解而来,这个过程是可扩展的。莱斯实验室结合铁、锰和磷(FeMnP)形成一种分子,该分子在真空中会变成气体。该气体通过CVD接触到热表面时,分解为覆盖表面的FeMnP催化剂。

研究者称他们的薄膜是“首个异双金属磷化物薄膜”,所得到的薄膜包含稳定的原子六角形阵列,这在目前只能在1200摄氏度以上才能看到,而该薄膜只是在350摄氏度下花费30分钟制造出来的。

Whitmire说:“高于1200摄氏度的温度会摧毁半导体阵列。但我们的薄膜可以在较低温度下制造,并能均匀覆盖在吸光半导体上,相互作用形成混合电极。”

研究者用这种金属模样的薄膜覆盖二氧化钛纳米棒的三维阵列。这种复合材料可被用作光化学电池中的高比表面半导体。

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莱斯大学博士后研究生Andrew Leitner正在准备析氧催化剂

针对直接将过渡金属覆盖到纳米棒表面以最大化两者的接触面这种做法,Whitmire说:“半导体和活性催化剂表面之间这种金属质感的导电界面,是这种装置工作的关键。”

该薄膜还具备铁磁性,因为其中原子的磁矩为相同方向排列。薄膜的居里温度较低,居里温度即为材料的磁性由很难被外界改变到很容易被外界磁场改变的临界温度点。研究者称,这对于磁制冷很有用。

由于已经制定了自己的技术,Whitmire说将其用于各种应用中就比较简单了,比如石化产品,能源转换以及制冷。“就像是不鸣则已,一鸣惊人。我们曾经花费了大量时间潜心研究,把物质结合到一起制作催化剂,现在却突然有太多其他事情要做。”

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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