黑色二氧化钛纳米颗粒可以在清洁能量光催化中发挥关键作用

Berkeley Lab的Samuel Mao使用障碍工程将钛纳米晶体转变为高效的太阳能氢催化剂，通过将晶体从白色转变为黑色而标记的变化。照片由Roy Kaltschmidt

科学家们已经开发了黑色二氧化钛纳米颗粒，其能够吸收红外线以及可见和紫外线，提高黑色二氧化钛可以使用阳光来分裂水分子以生产氢的效率。

一种独特的原子尺度工程技术，用于将二氧化钛的低效光催化“白色”纳米颗粒转化为高效“黑色”纳米颗粒可以是基于氢气清洁能源技术的关键。

拥有伯克利实验室环境能源技术部门和伯克利加州大学的科学家塞缪尔毛泽民培养了一种用于工程障碍进入半导体二氧化钛的纳米晶体结构的技术的发展。这使得天然白色的晶体为黑色，晶体现在能够吸收红外线以及可见和紫外线。扩展的吸收光谱显着提高了黑色二氧化钛可以使用阳光来分裂水分子以用于生产氢的效率。

“我们已经证明，黑色二氧化钛纳米颗粒能够通过历史新高的效率通过太阳能光催化反应产生氢气，”毛罗在新奥尔良的美国化学学会（ACS）的国家会议上谈论。

“黑色二氧化物纳米颗粒的合成基于氢化方法，其中对二氧化钛纳米晶体进行高压氢气，”MAO表示。“独特的无序结构产生光催化剂，既耐用，有效，并给予二氧化钛，最受研究的所有氧化物材料，更新潜力。”

电池或燃料中氢的承诺是一种干净而可再生能源来源，不会加剧全球气候变化。挑战是成本有效的批量生产。尽管是宇宙中最丰富的元素，但纯氢在地球上是稀缺的，因为氢与任何其他类型的原子相结合。利用太阳能将水分子分成氢气，氧气是生产纯氢的理想方式。然而，这需要一种有效的光催化剂，即水不会腐蚀。二氧化钛可以站在水中，但直到毛泽东和他的小组的工作只能吸收紫外线，这占阳光下的能量的距离。

在他的ACS谈话中，标题为“紊乱工程：转动二氧化钛纳米粒子黑色，“毛泽东描述了他如何开发出”紊乱工程“的概念以及氢化障碍的引入如何在价带最大程度上方产生中间带隙能量状态，以增强氢气流动性。他的研究不仅产生了一种用于产生氢的新光催化剂，但也有助于消除一些广泛的科学信仰。

“我们的测试表明，良好的半导体光催化剂不必是一个单晶，在传导带底部的缺陷和能量水平下方，”Mao说。

Berkeley Lab的高级光源的特征研究还帮助回答了在其实验中检测到的大部分氢的问题来自光催化反应，以及在氢化合成过程中氧化钛中吸收的氢气中的氢。

“我们的测量表明，与100小时太阳能驱动的氢气生产实验期间检测到的40毫克氢相比，只有在黑色二氧化物中吸收大约0.05毫克的氢气，只有少量氢。”

图像：Roy Kaltschmidt