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中国科大高效低成本光催化制氢研究取得重要进展

  近日,中国科大化学与材料学院杜平武教授课题组设计开发出具有高转化率的非贵金属可见光催化制氢体系,研究成果以封面标题形式发表在英国皇家化学学会(RSC)旗下著名国际学术期刊《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science)上。该工作题目为“Extraordinarily efficient photocatalytic hydrogen evolution in water using semiconductor

nanorods integrated with crystalline Ni2P cocatalysts”,通过温和的方法巧妙地将新型非贵金属助催化剂磷化镍均匀地负载在硫化镉CdS半导体上构建光催化体系,展现出了优越的可见光驱动产氢性能和稳定性。(Energy & Environmental Science, 2015, 8, 2668-2676. DOI: 10.1039/C5EE01310K).  


传统的石油和化石能源的消费引起了地球温暖化、环境污染和能源短缺等问题,是当前人类所面临的重大挑战。在此背景下,以低能耗、低污染为基础的低碳经济正成为全球关心和研究的热点。氢气作为一种高效清洁的二次能源载体,被认为是未来人类重要的清洁能源来源。因此,开发和利用无污染的氢能源是实现低碳经济的一种重要途径。开发无污染、低成本的制氢技术日益受到各国的高度关注。通过设计高效低成本光催化体系吸收光分解水制氢,使人们看到了将太阳能转化为氢能的可能。

该研究组前期发现过渡金属磷化物作为助催化剂有着很好的光催化产氢的性质,将磷化亚铜、磷化钼等磷化物负载在半导体上,可以有效的提升半导体光催化产氢的效率 (J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 10243-10247;J. Mater. Chem. A,2015, 3, 16941-16947)。基于前期工作,该研究组利用溶剂热法巧妙地将新型Ni2P助催化剂负载在了CdS半导体上,得到了分布均匀,接触紧密的Ni2P/CdS复合结构,从实验数据和光谱表征证明了该结构能有效促进CdS光生电子的转移,从而抑制电子空穴对的复合,提高光催化制氢性能。通过外加电子受体结合超快瞬态光谱,研究了光催化过程的反应机理,发现了快速电子转移过程。在Na2S/Na2SO3电子给体存在的条件下,催化剂实现了高效的光催化制氢(产氢速率达到1,200 μmol h-1 mg-1, 90小时内转化数TON 达到~3270000,TOF ~36,400 h-1 for Ni2P)。由于原料价格低廉,性能优异,制备简单,该材料应用于高效光催化制氢体系展现出重要研究前景。

论文第一作者为硕士研究生孙子君。上述研究工作受到中组部青年千人计划、能源材料化学协同创新中心、国家自然科学基金委面上项目、新世纪优秀人才等的支持。 

(能源材料化学协同创新中心、化学与材料科学学院、科研部)