中國儲能網(wǎng)訊：借鑒自然界光合作用的機(jī)制和過程，通過人工光合成途徑將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，特別是氫能，為人類開發(fā)和利用太陽能并逐步解決當(dāng)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(shè)計(jì)并制備新型的人工光合成“部件”，構(gòu)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(shí)意義。
近期，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所超分子光化學(xué)研究中心的科研人員首次利用量子點(diǎn)和廉價(jià)金屬鹽通過可見光催化協(xié)助的方法原位構(gòu)筑了具有空腔結(jié)構(gòu)的光催化劑。穩(wěn)態(tài)和時(shí)間分辨的譜學(xué)技術(shù)證實(shí)了光催化過程中量子點(diǎn)表面巰基丙酸分子的氧化解離使量子點(diǎn)選擇性地在氫氣氣泡和水的水-氣界面聚集，在光催化反應(yīng)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(shí)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(gòu)筑策略為人工光合成制氫領(lǐng)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(shí)用價(jià)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(diǎn)和廉價(jià)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(shí)間分辨的譜學(xué)技術(shù)，證實(shí)了量子點(diǎn)表面S的懸空鍵原位和金屬Ni2+離子配位生成實(shí)際的催化中心，原位生成催化中心可通過自修復(fù)不斷在反應(yīng)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(shí)，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(dá)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(jìn)一步地，科研人員成功地利用含雙官能團(tuán)的巰基丙酸作為導(dǎo)向分子構(gòu)筑了CdSe QDs-TiO2-Ni(OH)2三元組裝體系，實(shí)現(xiàn)了堿性條件下量子點(diǎn)-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(dá)~10.1 mmol g-1 h-1，基于CdSe QDs的TON值達(dá)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(xué)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(jìn)行重點(diǎn)介紹。
相關(guān)研究工作得到了科技部“973”計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程的大力支持。
基于量子點(diǎn)/廉價(jià)金屬的人工光合成制氫體系
