Nature光催化：光催化裂解水的太陽能制氫效率超過9%

張熙熙 7個月前 (01-14) 1951瀏覽

一、導讀

從陽光和水這兩種地球上最豐富的自然資源中生產氫燃料，是實現碳中和最有希望的途徑之一。一些太陽能制氫方法，例如光電化學水分解，通常需要腐蝕性電解質，影響了其性能穩定性和環境可持續性。另外，清潔的氫可以直接通過太陽光催化水分解產生。然而，光催化水分解的太陽能制氫(STH)效率一直很低。由于常見光催化劑材料的可見光響應范圍窄、光生電子空穴復合嚴重、表面催化過電位高以及產生的氫和氧的不良重組，導致大多數光催化系統的太陽能-氫(STH)效率有限。光催化劑的光響應范圍直接決定了其理論最大運輸效率。雖然近40%的太陽光位于可見光譜(400-700 nm)，理論上光催化OWS的STH效率可以達到24%。然而，目前報道的可見光響應催化劑一般限于400-485 nm，能量轉換效率有限。除紫外線和可見光外，紅外線的含量可達50%。然而，紅外線不能直接光激發催化劑產生具有足夠能量的電子和空穴來驅動OWS，這限制了光催化OWS的STH效率。因此需要一種有效的方法，可以潛在地利用全太陽光譜進行光催化OWS，大大提高STH效率。

最近，在商用硅片上可控生長的氮化鎵銦(InGaN)/氮化鎵(GaN)納米線(NW)光催化劑，顯示出較寬的可見光響應范圍(400-700 nm)和適合OWS的帶邊電位。在調整表面能帶結構、內部電場和助催化劑等方面以提高STH效率也取得了實質性進展。因此，InGaN/GaN NW光催化劑為實現高效光催化裂解水提供了一個合適的平臺。

二、成果掠影

近日，美國密歇根大學的米澤田課題組報道了通過分子束外延生長技術在商業硅片上制備了具有高結晶度和寬可見光響應范圍（<632 nm）的Rh/Cr2O3/Co3O4-InGaN/GaN NWs催化劑。在高強度聚焦太陽光（3800 mW cm-2）的照射下，該NWs的水分解效率顯示出了明顯的溫度依賴特性，在最佳的反應溫度（70 ℃）下觀察到了9.2%的STH效率。此外，在4cm× 4cm的光催化劑晶圓上在上利用16,070 mW cm?2的自然強光進行實驗，實現了大規模光催化OWS系統下6.2% 的STH效率，顯示了實際應用的可行性相關研究工作以“Solar-to-hydrogen efficiency of more than 9% in photocatalytic water splitting”為題發表在國際頂級期刊Nature上。

三、核心創新點

通過高強度聚焦太陽光產生的紅外熱效應在InGaN/GaN表面的光催化全解水過程中不僅促進了正向的水分解反應，而且抑制了逆向的氫氧復合反應，該策略使InGaN納米線表現出了9.2%超高的光催化全解水效率。

四、數據概覽

圖1結構表征 ? 2023 Springer Nature Limited

(a) 45°傾斜的InGaN/GaN NWs FESEM照片。(b) InGaN/GaN NWs的XRD譜圖。(c) InGaN/GaN異質結構的STEM照片。(d) Rh/Cr2O3/Co3O4-InGaN/GaN NWs上的HRTEM。(e) Rh/Cr2O3/ Co3O4-InGaN/GaN NWs的STEM和元素分布圖。

圖2 性能評估和機制分析 ? 2023 Springer Nature Limited

(a) Rh/Cr-O3/ Co3O4-InGaN /GaN NWs的STH效率與溫度的關系。(b) Rh/Cr2O3/ Co3O4-InGaN/GaN NWs在3800 mW cm?2自然強光下的穩定性測試。每個周期為1小時。(c)與溫度相關的氫氧復合反應。(d) 氫氧復合反應在助催化劑 Co3O4、Rh和 Cr2O3上的自由能變化曲線。

圖3 實際應用和大規模應用。? 2023 Springer Nature Limited

(a) (b) Rh/Cr2O3/ Co3O4-InGaN/GaN NWs在自來水(a)和3.5 wt% NaCl的模擬海水(b)中的STH效率。(c)(d) 室外光催化OWS系統圖像(c)和 Rh/Cr2O3/ Co3O4-InGaN/GaN NW在集中自然陽光下(約16070 mW cm?2)的STH效率(d)。每個周期為10分鐘。

五、成果啟示

該研究在最佳反應溫度(約70攝氏度)條件下，通過使用強太陽光、純水、氮化銦鎵光催化劑，實現了9.2%的高STH效率。此外，這種具有溫度依賴性的方法可以從自來水和海水中實現約7%的STH效率，在天然太陽能容量為257瓦的大規模光催化水分解系統中實現6.2%的STH效率。該研究提供了一種利用自然太陽光和水高效生產氫燃料的實用方法，克服了太陽能制氫的效率瓶頸。

 

 

原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05399-1

本文由張熙熙供稿。

 

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