由UNIST能源與化學工程學院Jungki Ryu教授和浦項科技大學(POSTECH)Soojin Park教授領(lǐng)導的研究小組在混合硅光催化劑的開發(fā)方面取得了重大突破。這種創(chuàng)新催化劑利用太陽能高效生產(chǎn)氫氣和高價值化合物，標志著綠色制氫技術(shù)向前邁出了步。
新開發(fā)的光催化劑既無毒又環(huán)保，解決了以前催化劑對陽光不敏感或存在毒性問題的局限性。硅基光催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的光吸收特性，使其能夠高效利用太陽能。此外，這些無毒材料在生產(chǎn)過程中不會排放有害化學物質(zhì)。
由于缺乏合適的催化劑，先前的研究在實現(xiàn)氫氣和高價值化合物的連續(xù)生產(chǎn)方面面臨著挑戰(zhàn)。在強堿條件下使用有毒催化劑常常導致環(huán)境污染問題。此外，由于在反應過程中傳統(tǒng)硅光催化劑上形成了氧化層，隨著時間的推移，它會對氫氣的生產(chǎn)效率產(chǎn)生負面影響。
為了克服這些障礙，研究小組通過將鎳摻雜石墨烯量子點均勻涂覆在2至3納米厚的硅片表面，開發(fā)了一種混合硅光催化劑。與傳統(tǒng)的硅光催化劑相比，經(jīng)過修飾的表面能夠顯著提高產(chǎn)氫效率，達到令人印象深刻的 14.2 mmol gcat−1 h−1 的產(chǎn)氫效率，相當于性能提高了約 28 倍。
此外，通過使用生物質(zhì)代替水(一種源自生物來源的有機物質(zhì))的氧化反應，混合硅光催化劑展示了其在生產(chǎn)氫氣的同時生產(chǎn)高價值化合物的能力。該催化劑還保持了 98% 的原始形態(tài)，確保了長期穩(wěn)定性。
Ryu教授表示：“之前關(guān)于制氫的研究僅限于吸收紫外線或涉及有毒催化劑的光催化劑。我們的無毒且經(jīng)濟高效的硅光催化劑是一項重大進步，因為它能夠通過卓越的太陽能吸收實現(xiàn)高效的氫氣生產(chǎn)。”
Park教授補充道：“利用鎳摻雜石墨烯量子點的表面改性技術(shù)不僅可以應用于硅光催化劑，還可以應用于各種其他類型的光催化劑，為能源應用開辟了新的可能性。”
該研究由Yuri Choi(UNIST能源與化學工程學院研究助理教授)和Sungho Choi(POSTECH先進材料科學碩士/博士聯(lián)合項目)共同參與。這項研究的結(jié)果于 2023 年 7 月 27 日發(fā)表在 《Advanced Materials》 上。這項研究得到了韓國科學和信息通信部資助的韓國國家研究基金會 (NRF) 以及基礎(chǔ)研究基金的資助。由韓國教育部資助的 NRF 科學研究計劃。
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