客观日本

东京工业大学发现光解水的新型氟氧化物材料

2020年01月20日 化学材料

随着全球对环保问题的日益关注,完善替代能源发电技术已成为全球研究者的热门话题。在研究如何产生清洁能源的诸多技术中,水分解是其中最有前途的一种。人们可以利用太阳能将水(H2O)分解而获得氢气(H2),这被方法称为光电化学水分解。氢气可用作维持机器运转的清洁燃料,也可直接用作发电,这意味着改进水分解技术是减少碳排放和缓解全球变暖的一种极其有效的方式。

东京工业大学发现光解水的新型氟氧化物材料

图1. 光电化学水分解。通过使用适当的光电化学阳极材料,在如图所示的电路中施加低电压,可以将水分解成H2和O2。产生的H2可用作清洁燃料,这意味着光电化学水分解是一种十分有效的太阳能收集方法。(图片来源:东京工业大学)

那么光电化学水分解是如何运作的呢?简而言之,如图1所示,一种简单的实现办法为,使用一种被称为光阳极的半导体材料,将其连接到电压源和作为阴极的金属线上。当暴露在阳光下时,水分子在两个电极上被分解为构成水分子的两种原子。随后这两种原子重组形成有用的H2和O2。其中极其关键的一步是为光电阳极找到稳定、性能好的材料,因为O2形成这一子步骤是最困难的。不幸的是,大多数研究都集中在一类称为氧氮化物的光阳极上,这种光阳极稳定性差并且降解较快,因为其在光线照射下十分容易氧化。为了解决这个问题,由前田和彦教授领导的东京工业大学的研究团队将研究焦点放在了在另一种光阳极材料上,即化学式为Pb2Ti2O5.4F1.2的氟氧化物。该化合物由于其特殊的电子性质而免于自氧化的困扰。

尽管该氟氧化物在诸多其他应用中都有着广泛的前景,但其光电化学性能目前尚不可知,并且尚未出现将其作为光解水的光阳极材料这方面的研究。该研究团队在各种光照及施加电压的条件下对该化合物进行了研究,发现将其用作光阳极时,必须首先用其他化合物对其表面进行修饰。首先,必须在氟氧化物的表面上沉积一层二氧化钛(TiO2),以增加水分解反应产生的光电流。然后,可以通过用氧化钴(CoOx)涂覆光阳极来进一步提高光阳极的性能,氧化钴会穿进TiO2层的缝隙中并促进所需反应的发生。“事实证明,在大多数情况下,用水氧化促进剂对光阳极进行修饰,是实现性能稳定所不可或缺的一步。” 前田教授表示。

研究人员通过实验表征了该光阳极在各种条件下的水分解催化性能,例如在不同波长的光下以及在不同的施加电压和pH值(可解读为对水的酸度的度量)下。他们的研究结果令人十分振奋(图2),该结果将为其他研究者指明方向。 “到目前为止,氧氮化物和类似化合物因其自氧化而导致的不稳定性而一直被视为有前途但难以掌握的光阳极材料。然而,Pb2Ti2O5.4F1.2这种材料的发现正预示着针对这一问题期待已久的突破。”前田教授总结说。水分解技术对于在不破坏环境的前提下满足我们对能源的需求的这一问题上至关重要,此类研究是实现绿色未来所必不可少的铺路石。

东京工业大学发现光解水的新型氟氧化物材料

图2. 所提出光电阳极的性能。经过适当的表面改性后,氟氧化物Pb2Ti2O5.4F1.2变成了非常有应用前景的光电阳极。该图显示了在阳光下产生的光电流,该电流会直接助力电路另一侧阴极上H2的产生。(图片来源:东京工业大学)

东京工业大学发现光解水的新型氟氧化物材料

图3. 在Pb2Ti2O5.4F1.2电极上进行光电化学水分解的示意图。(图片来源:东京工业大学)

英文发布原文

【论文信息】
题目: Solar-Driven Photoelectrochemical Water Oxidation over an n-Type Lead-Titanium Oxyfluoride Anode
杂志:Journal of the American Chemical Society
DOI: 10.1021/jacs.9b06570

文 JST客观日本编辑部翻译编辑

专题网页