中國儲能網(wǎng)訊：借鑒自然界光合作用的機制和過程，通過人工光合成途徑將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能，特別是氫能，為人類開發(fā)和利用太陽能并逐步解決當前的能源短缺和環(huán)境污染問題開辟了一條新道路。因此，設計并制備新型的人工光合成“部件”，構建來源廣泛、成本低廉、性能卓越的光催化體系具有迫切的理論和現(xiàn)實意義。
近期，中國科學院理化技術研究所超分子光化學研究中心的科研人員首次利用量子點和廉價金屬鹽通過可見光催化協(xié)助的方法原位構筑了具有空腔結(jié)構的光催化劑。穩(wěn)態(tài)和時間分辨的譜學技術證實了光催化過程中量子點表面巰基丙酸分子的氧化解離使量子點選擇性地在氫氣氣泡和水的水-氣界面聚集，在光催化反應協(xié)助下組裝形成納米空心球。以抗壞血酸為犧牲體，光照42小時納米空心球的產(chǎn)氫速率和產(chǎn)氫TON值分別為~21 μmol h-1 mg-1和137500。該催化劑構筑策略為人工光合成制氫領域的發(fā)展提供了新的思路和途徑，對理解和模擬自然界光合作用的工作原理和發(fā)展實用價值的人工光合成制氫體系具有重要意義。
隨后，該研究中心科研人員又利用可見光照射量子點和廉價金屬鹽原位制備了Nih-CdS人工光合成催化劑。通過穩(wěn)態(tài)和時間分辨的譜學技術，證實了量子點表面S的懸空鍵原位和金屬Ni2+離子配位生成實際的催化中心，原位生成催化中心可通過自修復不斷在反應過程中重生，從而保證了體系的催化活性及穩(wěn)定性。光照20小時，Nih-CdS光催化重整工業(yè)廢料甘油的制氫速率為74.6 μmol h-1 mg-1，產(chǎn)氫效率TON達38405。在410 nm光照射下，體系光催化產(chǎn)氫的內(nèi)量子效率為12.2%。進一步地，科研人員成功地利用含雙官能團的巰基丙酸作為導向分子構筑了CdSe QDs-TiO2-Ni(OH)2三元組裝體系，實現(xiàn)了堿性條件下量子點-鎳人工光合成體系的高效產(chǎn)氫。組裝體中梯度電子轉(zhuǎn)移過程提高了電荷分離效率，使體系產(chǎn)氫效率較CdSe QDs-Ni(OH)2二元體系提高了5倍。最優(yōu)條件下CdSe QDs-TiO2-Ni(OH)2三元組裝體系的產(chǎn)氫速率可高達~10.1 mmol g-1 h-1，基于CdSe QDs的TON值達51400，光催化產(chǎn)氫的內(nèi)量子效率為27.4%。
上述研究結(jié)果已經(jīng)刊登于國際化學期刊JACS (J. Am. Chem. Soc. 2014, 136 (23), 8261-8268) 和ChemSusChem (ChemSusChem 2014, 7 (5), 1468-1475; ChemSusChem 2015, 8 (4), 642-649)，并被選為內(nèi)封面文章向讀者進行重點介紹。
相關研究工作得到了科技部“973”計劃、國家自然科學基金委、中國科學院知識創(chuàng)新工程的大力支持。
基于量子點/廉價金屬的人工光合成制氫體系
