中新網北京10月8日電 (記者 孫自法)記者10月8日從中國科學院金屬研究所獲悉，該所太陽能與氫能材料研究團隊最新研究發(fā)現，利用一種叫做“晶格工程”的策略，通過給光催化材料聚三嗪酰亞胺(PTI)“補鈣”改變生長的“配方”，成功讓它內部的光生電荷更容易分開并且各行其道，從而提高太陽能光解水制氫效率。

　　這項光催化分解水制氫領域的重要研究成果論文，近日在國際學術期刊《自然-通訊》發(fā)表。該研究為調控聚合物半導體光催化材料的光物理屬性、推動聚合物半導體材料在不同光能轉換場景中的應用，提供了可參考的有效策略。

　　PTI制氫潛力巨大但效率較低

　　研究團隊介紹說，PTI是一種碳氮聚合物半導體，因其低成本、環(huán)境友好、能帶結構合適等特性，被認為在開展低成本規(guī)?；纸馑茪浞矫婢哂芯薮鬂摿?。

　　然而，當前PTI的光催化分解純水制氫效率仍然較低，這主要歸結于其作為聚合物材料的致命弱點：當光照射時，PTI中成對產生的光生電荷包括帶負電、具有還原性的電子和帶正電、具有氧化性的“空穴”，會很容易被引力“綁定”在一起形成“激子”，并最終重新“擁抱”在一起消失掉，而非掙脫引力束縛變成“自由電荷”，分別前往還原和氧化反應位點，參與到相應的反應中。

　　造成這一致命弱點的根本原因，是PTI作為一種聚合物，其具有高度對稱性的低極性共價鍵碳氮骨架中難以提供內在的“驅動力”，不能推動以激子形式強力“綁定”在一起的電子和“空穴”向不同方向移動。

　　因此，在這種情況下，即使少數“激子”能夠到達表面，也會使得產生氫氣的還原反應和產生氧氣的氧化反應發(fā)生在同一區(qū)域，就像在一個狹小空間里同時進行洗衣和晾干，容易互相干擾，引發(fā)不必要的副反應，從而降低效率。

　　實際上，光生電子和“空穴”形成束縛態(tài)“激子”且難以解離的問題，也是許多聚合物半導體材料在將光能轉化為其他能量形式時面臨的共同挑戰(zhàn)。

　　光催化材料“補鈣”效果顯著

　　在本項研究中，研究團隊改變了PTI材料的生長環(huán)境和形核生長的基體。以往制備PTI時，使用的是氯化鋰和氯化鉀的混合熔鹽，并由熔鹽冷卻時析出的氯化鉀晶體作為PTI形核和生長的基體，得到的是PTI六棱柱晶體(PTI-LiK)。

　　通過改用氯化鋰和氯化鈣的混合熔鹽，由熔鹽冷卻時析出的氯化鈣晶體作為PTI形核和生長的基體，最終制備出一種鈣摻雜(即“補鈣”)PTI六棱納米盤(PTI-LiCa)，和傳統PTI-LiK相比，“補鈣”PTI-LiCa的“激子”中光生電子和“空穴”之間的結合能從PTI-LiK的48.2毫電子伏大大降低到15.4毫電子伏，比室溫下的熱擾動能(25.7毫電子伏)還要低，也即在室溫環(huán)境的熱擾動下，激子中的光生電子和“空穴”就會自動“分手”，產生激子自發(fā)解離現象，形成自由電荷。利用先進的超快光譜技術，研究團隊親眼“看到”了這一解離過程。

　　此外，解離后自由的光生電子和“空穴”能夠朝著不同的方向移動，就像沿著為它們規(guī)劃的“單行道”分道揚鑣，從而在空間上分離了制氫和制氧的反應位點，這有效避免了相互干擾和副反應的發(fā)生。

　　研究團隊總結表示，得益于“補鈣”產生的功效，光催化劑分解純水初始制氫活性提高了3.4倍。(完)