在多孔纳米光催化剂中发现量子限制

近年来，由于氢气是一种高能量密度的燃料，太阳能水分解产生的绿色氢气引起了人们的极大兴趣。由香港城市大学(CityU)和德国的学者共同领导的研究小组发现了一种具有3D有序大孔结构的光催化剂的量子限制效应。发现量子限制效应能够在可见光下产生氢气。这些发现为解决能源和环境挑战提供了一种选择。

该研究由城大能源与环境学院(SEE)副教授Ng Yun Hau博士和来自德国的研究人员共同领导。他们的发现发表在科学期刊ACS Energy Letters上，题为“Unveiling Carrier Dynamics in Periodic Porous BiVO4Photocatalyst for Enhanced Solar Water Splitting”。

制氧光催化剂的新制氢功能

光催化研究专家吴博士指出，典型的太阳能水分解光催化剂只能吸收太阳光谱中的紫外线，约占太阳光能量的4%。相比之下，钒酸铋 (BiVO4) 是一种对紫外线和可见光都有反应的金属氧化物光催化剂，它可以吸收太阳光谱中高达 30% 的能量。

3D有序大孔(3DOM)结构中的BiVO4由于其优越的性能而受到了广泛关注。这种结构的光催化活性提高通常归因于较大的表面积、高的光吸收和抑制的电荷复合。

然而，没有系统的研究将高度有序的多孔纳米结构的电荷传输对光活性的影响联系起来。Ng 博士和他的团队接受了这一挑战，并研究了 3DOM 和板状 BiVO4样品的不同载体动力学，以及它们在光催化中的效率。

研究小组发现，在可见光下的水分解过程中，3DOM BiVO4光催化剂产生的氧气量几乎是板状 BiVO4的两倍。此外，3DOM BiVO4光催化剂表现出更高的阳极氧化性。光电流密度大于板状形式。因此，3DOM BiVO4具有更高的光催化效率。“令我们惊讶的是，BiVO4最初是一种产氧光催化剂，当它处于 3DOM 结构时，在可见光下水分解过程中也会产生氢气。这是以前从未报道过的，”Ng 博士说。

发现量子限制效应

3DOM 结构中的 BiVO 4如何产生氢气?论文第一作者、吴博士实验室能量流带头人吴浩博士分享了本研究的一个亮点。“我们发现由 3DOM BiVO4的超薄结晶壁产生的量子限制提高了它的导带。它可以在可见光照射下将质子光催化还原为氢，从而可以通过水分解产生氢。”量子限制是指当材料的尺寸减小到纳米级时，电子和光学性质的变化，例如能级和带隙。

“BiVO4由于其导带的位置，一般不能产生氢气。现在由于量子限制效应，提高了它的导带，可以产生氢气。这也是第一次在3DOM中发现量子限制效应BiVO4，”Ng 博士解释说。

研究小组还发现，即使不使用助催化剂，3DOM BiVO4在可见光照射下仍然可以从溶液中产生氢气，而板状 BiVO4的氢气产生量可以忽略不计。助催化剂是促进催化剂功能的物质。它可以为光生电荷提供积累位点并促进电荷分离。

该团队还应用了包括时间分辨微波电导率在内的先进技术来研究3DOM 和板状结构中的BiVO4光催化剂。他们发现，与板状结构相比，3DOM BiVO4的电荷迁移率高约 6 倍，电荷载流子寿命长约 18 倍，有效扩散长度长约 9 倍，从而提高了光催化效率。

下一个目标：废水分解

这项研究代表了理解金属氧化物半导体和高度有序的多孔结构中的电荷传输的基本步骤。

Ng 博士和他的团队的下一个目标是拆分废水并探索扩大光催化系统的方法。“太阳能水分解产生的氢气是一种没有任何碳排放的绿色工艺，”Ng 博士说。“氢气可用于工业用途，也可用于燃料电池发电。我们预计这项技术在未来会有更广泛的应用，因为对从绿色资源中生产氢气的需求很高。”

来自柏林亥姆霍兹中心 (HZB) 太阳能燃料研究所 (HZB) 的 Ng 博士和 Fatwa F. Abdi 博士是该论文的通讯作者。第一作者为城大SEE博士后吴昊博士。SEE博士后钟海英博士也参与了这项研究。其他合作研究人员来自HZB和北京工业大学。

该研究得到香港研究资助局和深圳市科技创新委员会的支持。