客观日本

全球首次!日开发成功光催化剂以可见光分解水

2019年07月11日 化学材料

日本的新能源产业技术综合开发机构(NEDO)、人工光合成化学工艺技术研究组合(ARPChem)、东京大学和信州大学等合作,全球首次开发出了利用可见光将水分解成氢气和氧气的酸性硫化物光催化剂。这种光催化剂由名为Y2Ti2O5S2的酸性硫化物半导体构成,可以吸收波长小于640nm的太阳光来分解水。600nm左右的波长是太阳光中强度最高的波长范围,因此有望实现高效率的能源利用。

酸性硫化物半导体材料作为新一代光催化剂材料从2000年前后开始受到关注,但一直存在一个课题,即在水中的光照射下,光催化剂材料自身容易分解。因此,此次是全球首次利用酸性硫化物光催化剂实际成功分解水。

以本次的研究成果为开端,如果能将酸性硫化物半导体材料作为光催化剂用于水分解反应,就有望实现低成本的制氢工艺。

日开发成功光催化剂以可见光分解水

图1:此次开发的酸性硫化物微颗粒光催化剂(Y2Ti2O5S2)的电子显微镜照片(左)和吸收光谱(右)

太阳光的强度峰值主要位于可见光范围(400nm~800nm,图2),因此光催化剂如果能吸收这个波长范围的光来分解水,就可以有效利用太阳能。不过,以往的光催化剂存在的课题之一是,很多催化剂的吸收波长主要限于紫外光范围(400nm以下),为了利用可见光范围至近红外光范围的光,就要扩大光催化剂的吸收波长。

日开发成功光催化剂以可见光分解水

图2:太阳光的波长和光谱强度

此次,NEDO等研究单位合作,全球首次开发出了利用可见光分解水的酸性硫化物微颗粒光催化剂。通过调整反应条件,同时吸附作为氢生成反应和氧生成反应活性点的助催化剂,能够吸收波长小于640nm的太阳光来分解水。

目前已经知道,除Y2Ti2O5S2外,酸性硫化物半导体中还有很多其他的有望强力吸收可见光以分解水的材料。另外,此次开发的催化剂为微颗粒状,因此还有一个优点,就是将来制作大面积光催化剂片材时,方便应用喷涂法等简单工艺。

相关研究论文已于2019年6月17日发表在英国科学期刊《自然-材料》(Nature Materials)的网络速报版。

日开发成功光催化剂以可见光分解水

图3:Y2Ti2O5S2的带隙能级

日开发成功光催化剂以可见光分解水

图4:利用Y2Ti2O5S2光催化剂验证在可见光下稳定分解水

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文:JST客观日本编辑部翻译整理

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