点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:最强光催化剂“出手”“水变氢”效率刷新世界纪录
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

最强光催化剂“出手”“水变氢”效率刷新世界纪录

来源:科技日报2022-01-19 10:29

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  云南大学柳清菊教授团队与英国伦敦大学学院唐军旺教授团队、华东师范大学黄荣教授团队合作,以单原子铜锚定二氧化钛,成功制备新型光催化剂,其分解水制氢量子效率高达56%。这意味着“水变氢”有了一条可实用化的新路径。

  在太阳光或一缕LED紫外光照拂下,玻璃烧杯中加入一点点白色粉末,无须加热也无须其他能源,烧杯里的水便可源源不绝产生氢气,且经过数百小时的实验,这种白色粉末的量并未衰减。在云南大学材料与能源学院实验室,你能见到这样的“奇观”。

  在碳达峰、碳中和背景下,洁净的氢成为未来的重要能源,高效、低成本制氢,特别是光解水制氢是科学家研究的方向。1月10日,国际著名期刊《自然·通讯》发表了云南大学柳清菊教授团队与英国伦敦大学学院唐军旺教授团队、华东师范大学黄荣教授团队合作的一项重要研究成果——以单原子铜锚定二氧化钛,成功制备新型光催化剂,其分解水制氢量子效率高达56%,被审稿人称为“世界纪录”。这意味着“水变氢”有了一条可实用化的新路径。

  提高催化效率 才能助推光解水制氢走向实用化

  氢能是一种清洁无污染的可再生能源,燃烧值很高,可达每千克140兆焦耳,其具有来源丰富、燃烧产物无二次污染等优点,有望代替石油和天然气,因而受到世界范围的广泛关注。若能得以大规模实际应用,将为“双碳”目标的顺利实现作出贡献。

  “目前,制备氢的主要方法有化石燃料制氢和电解水制氢,但两种方法都需消耗传统能源。”柳清菊向科技日报记者介绍,化石燃料制氢,二氧化碳排放量大,每生产1千克氢气,将产生10千克左右的二氧化碳;而电解水制氢也存在能耗和成本问题。“在环境和能源问题日益严重的今天,开发清洁、可持续、低成本的制氢技术,推进氢能的发展显得尤为迫切和重要。”柳清菊说,采用光催化技术,利用太阳能驱动水分解制氢是一种极具发展前途的新方法。

  自1972年科学家发现二氧化钛半导体具有光催化性能以来,光解水制氢一直受到学术界及产业界的关注与重视。在能量大于或等于半导体禁带宽度的光照射下,光催化材料价带中的电子吸收入射光子的能量跃迁到导带,形成“电子—空穴”对,空穴和电子迁移到材料表面,与表面吸附的水分子发生氧化还原反应,也就是电子与水发生还原反应产生氢气,空穴氧化水产生氧气。

  然而,由于电子带负电,空穴带正电,使得光催化材料中光照所产生的“电子—空穴”很容易复合,导致产氢量子效率低下,严重阻碍了光解水制氢的发展。因此,如何阻止“电子—空穴”的复合,提高光催化制氢效率,成为目前国际上光催化研究领域的重大挑战之一,也是制约光催化制氢技术实用化的瓶颈难题。

  这其中,光催化材料是核心。而光催化材料的活性、稳定性和成本是决定光催化技术能否实际应用的关键。

  铜离子“补位” 新型光催化材料设计制备突破瓶颈

  金属单原子催化剂是近年来迅速发展起来的新型催化剂。相比传统金属催化剂,金属单原子催化剂中的原子以单个的形式负载在载体上,在催化反应中可充分参与反应,实现反应活性中心的最大化,利用效率可接近100%,在理论上可以同时提高催化活性并降低成本。然而由于单原子具有极高的表面能,在合成和催化反应过程中容易团聚、稳定性差、寿命短且制备成本高,阻碍了其实际应用。

  “这次起光催化作用的二氧化钛,是一种钛和氧规则排列的晶体,我们通过独特的合成工艺,在其中生成大量的钛空位。”柳清菊向记者解释,有了这些钛空位,就可以请铜离子来帮忙“补位”。

  “通过对钛基有机框架材料MIL-125中钛空位的设计和可控合成,我们研制出具有大比表面积和丰富钛空位的二氧化钛纳米材料,以此为载体锚定过渡金属铜单原子,使铜与二氧化钛形成了牢固的‘铜—氧—钛’键。”柳清菊介绍,在光催化制氢反应过程中,一价阳离子铜和二价阳离子铜的可逆变化,大大促进了光生“电子—空穴”的分离和传输,大幅提高了光生电子的利用率,使产氢量子效率获得突破,达到56%。这项突破获得了欧洲科学院院士、伦敦大学学院光催化和材料化学终身教授唐军旺团队的验证。

  成本、工艺更“亲民” 光解水制氢产业已初露曙光

  新研制的二氧化钛基光催化材料,具有性能稳定、无毒、无二次污染等优点,且生物相容性好、制备方法简单、成本低,与传统方法相比优势明显。通常含贵金属的催化剂,催化活性高,但相应的成本也极高。“新材料中,我们用的是‘贱金属’铜,它储量大、价格低、易获得,这是成本降低的第一个方面。” 柳清菊介绍,此外,原有的催化材料中单个金属原子活性很大,很容易形成团簇,使得催化活性降低。研发团队将铜原子牢固地锚定在钛空位上,不容易团聚,创新性地解决了这个问题,稳定时间很长,在常温常湿条件下,样品放置380天之久,仍然具有与新制备样品相当的产氢性能,进一步降低了产氢成本;另外,新型光催化材料制备工艺简单,无需昂贵的设备,使光催化制氢更加“亲民”。

  近年来,柳清菊团队在实验室进行了大量的基础研究,包括材料设计、合成工艺、机理研究、性能优化等,已获得稳定的高性能光解水制氢光催化材料的实验室制备工艺,正准备开展放大工艺研发,为后续产业化奠定基础。虽然传统的光催化材料成本高、量子效率低,国内光催化产氢市场尚未成熟,但随着产业链衔接及相关政策的完善,光催化制氢产业化已是曙光初露。

  对柳清菊团队而言,56%的产氢量子效率也不是终点。“我们还在继续努力,使效率进一步提高,如果能够提高到70%以上,对生产应用的意义将是不言而喻的。”柳清菊说,找准了方向,效率再提升将不是梦。随着光解水效率进一步提高和成本进一步降低,氢能时代将加速到来,人类也将还地球以绿水青山。(记者 赵汉斌)

[ 责编:赵宇豪 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 逐梦海天 青春滚烫——记海军山东舰起降保障中队

  • 创新潮涌链博会

独家策划

推荐阅读
从意大利实验室到西北农学院,从抗战时期到和平年代,周尧用70年时光让中国昆虫学从5%的定名权走向自主。
2025-07-18 09:06
记者从会上获悉,截至今年6月,我国每万人口高价值发明专利拥有量已达到15.3件,提前实现“十四五”规划预期的12件目标。
2025-07-18 09:04
而在此次观测中,天文学家发现,在HOPS-315及其周围的原始星盘中,不仅存在固态的结晶矿物,还存在气态的一氧化硅。
2025-07-18 09:04
旨在充分发挥计量支撑产业新质生产力发展的基础保障作用,推动“溯源链、创新链、产业链”融合发展,使计量成为促进产业新质生产力发展的催化器和引擎。
2025-07-18 09:04
该所作物耐逆性调控与改良创新团队日前联合国内外研究机构,构建了首个水稻的多器官单细胞多组学图谱,
2025-07-18 04:30
太阳是地球气候系统的主要能量来源,其活动通过总辐射、紫外辐射、高能粒子沉降等多种形式影响地球大气。近年来,我国夏季降水雨带呈现出持续北移的趋势。
2025-07-18 04:30
人机语言交互的“温度”,其核心在于能否实现情感共鸣、文化适配与价值传递。语言不仅是信息符号,更是心灵沟通的桥梁。为冰冷的代码注入人文温度,需在技术突破与设计理念上双轨并进。
2025-07-17 04:30
近日,中国科学院海洋研究所万世明团队,基于海洋沉积物中的黑碳记录,重建了过去30万年以来东亚北部的古火演化历史,结合欧洲、东亚、东南亚及澳大利亚区域的记录以及考古遗址大数据,发现现代人类大规模用火始于约5万年前。
2025-07-17 04:30
在飞行器大家庭中,有一类特别的成员——翼伞。它们没有刚硬的机翼,却凭着一片巨大柔软的“翅膀”,借助风力优雅地翱翔于天际;它们结构看似简单,却蕴含着空气动力学的精妙智慧。翼伞是融合古老降落伞原理与现代智能科技的独特柔性无人飞行器,包含翼、控制系统、负载,如果加上推力系统,就可化身为伞翼无人机。
2025-07-17 04:30
近年来,移动电源行业呈现出较为迅速的发展趋势。与此同时,移动电源安全事故频发,严重威胁消费者生命财产安全。通过制定强制性国家标准,
2025-07-17 03:55
由该院枸杞科学研究所联合中国林业科学院林业研究所编制的《枸杞属植物新品种特异性、一致性、稳定性测试指南》获得国际植物新品种保护联盟通过。
2025-07-17 04:00
武汉华大生命科学研究院联合南方科技大学等单位,在单细胞水平上成功解密了拟南芥叶片衰老的过程。
2025-07-16 10:44
不只是产量最大,“深海一号”大气田还是我国迄今为止自主开发建设的作业水深最深、地层温压最高、勘探开发难度最大的深水气田。
2025-07-16 10:42
我国正研制《卓越工程师培养认证标准》,该标准是保障卓越工程师培养从“样板间”走向宏大队伍的基础。
2025-07-16 10:39
七月下半月和八月上半月是我国主汛期的最重要阶段,应急管理部指导各地加强灾害风险隐患信息报送队伍建设,开展广泛培训,目前总人数已达115万人。
2025-07-16 10:25
为强化未成年人网络保护,营造良好网络环境,近日,中央网信办印发通知,在全国范围内部署开展为期2个月的“清朗·2025年暑期未成年人网络环境整治”专项行动。
2025-07-16 10:23
新时代新征程,以中国式现代化全面推进强国建设、民族复兴伟业,实现新型工业化是关键任务。
2025-07-15 04:10
现阶段,人工智能赋能新型工业化已取得明显成效,但仍存在人工智能关键硬件与开源软件储备不足、人工智能在重点行业领域应用率偏低、人工智能领域人才短缺且结构不合理、缺乏适应人工智能发展的标准体系和法律法规等问题。
2025-07-15 04:10
2025年可谓人形机器人的“破圈”之年。从蛇年春晚舞台的机器人扭秧歌,到北京亦庄的机器人马拉松,再到浙江杭州的机器人格斗赛……人形机器人正从“实验室”迈向各类“应用场”。
2025-07-15 02:55
科考船在狂风巨浪中剧烈摇摆,寻找渺小的目标如同大海捞针。回收沉睡海底半年的海底地震仪,是这次出海科研任务中最艰难的一环。“快看!在那儿!”随着一声疾呼划破沉寂,
2025-07-15 02:55
加载更多