独特的半导体/催化剂构建体从阳光下产生氢气

从阳光下制造氢气的方法

将含分子钴的氢气产生催化剂接枝到可见光半导体中利用乙烯基吡啶的UV诱导的固定化学化学品至p型(100)镓磷化镓(间隙)。yabovip2021

来自伯克利实验室的研究人员已经开发了一种方法,通过该方法可以通过吸收可见光的半导体来界面,产生分子氢生产催化剂,产生人造光合作用。

在寻求干净的,绿色可持续能源以满足人代的需求,也许没有技术与人工光合作用的最终潜力相匹配。仿生叶可以产生能量密集的燃料,而不是阳光,水和气氛温暖的二氧化碳,而不是氧气以外的副产品,代表化石燃料的理想选择,也是众多科学挑战。研究人员通过在人造光合作用联合中心(JCAP)联合中心工作的美国能源部(DOE)劳伦斯国家实验室(Berkeley Lab)的研究人员实现了至少一个迎接这些挑战中的一项重大步骤。

“我们开发了一种方法,通过伯克利实验室的物理生物学分区和JCAP的主要研究人员,Gary Moore表示,可以将分子氢化催化剂与吸收可见光的半导体接合的方法。“我们的实验结果表明催化剂和光吸收器在结构上和功能均匀地界面。”

摩尔是相应的作者,以及Junko Yano和Ian Sharp,他还持有伯克利实验室和JCAP的联合约会,所述文件描述了这一点美国化学学会期刊研究(JACS)。该制品标题为“光共官能构建体,其将基于分子钴的催化剂与H2产生的催化剂界面到可见光吸收半导体中。”共同作者是亚历山德拉克拉维奇,金辉杨和Eitan Anzenberg。

地球在一整年内超过一小时的阳光接收更多的能量。通过光合作用的过程,绿色植物利用太阳能将水分子分成氧气,氢离子(质子)和自由电子。氧气被释放为废物,并且质子和电子用于将二氧化碳转化为植物用于能量的碳水化合物糖。科学家的目标是模仿概念,而是改善实际过程。

JCAP,伯克利北部分公司和加州理工学院校园(CALTECH)的南部分行,于2010年由DOE作为能源创新枢纽成立。作为Caltech和Berkeley Lab之间的合作伙伴,JCAP是美国最大的研究计划,致力于开发人工太阳能燃料技术。虽然人造光合作用可用于产生电力,但燃料可以是更有效的存储和运输能量的手段。目标是人造光合系统,其比天然光合作用至少10倍。

为此,一旦光阳极利用太阳能来分解水分子,JCAP的科学家就需要高性能的半导体光阴极来利用太阳能催化燃料生产。在以前的氢燃料生产中,催化剂已经被固定在非光活性底物上。这种方法需要利用外部电势来产生氢气。摩尔和他的同事将这些步骤结合成一种材料。

“在耦合氢气中的氢气中的可见光的吸收时,我们可以通过照亮我们的光电阴极来产生燃料,”摩尔说。“不需要外部电化学前向偏置。”

新的JCAP光电阴极构建体由半导体镓和含钴的氢气产生催化剂组成,来自钴肟类化合物。作为可见光的吸收器,磷化镓可以利用比吸收紫外线的半导体更多的可用太阳能光子,这意味着它能够产生显着更高的光电流和燃料生产率。然而,在光电化学操作期间,磷化镓可以是众所周知的不稳定。

摩尔及其同事发现,用聚合物乙烯基吡啶的膜涂覆磷化镓表面的胶片缓解不稳定问题,如果用乙二醇肟催化剂化学处理乙烯基吡啶,则氢气产生显着提高。

“我们的方法的模块化方面允许独立改性光吸收剂,连接材料和催化剂,这意味着它可以适用于其他催化剂,作为新材料和发现出现的新材料和发现,”摩尔说。“这可能允许我们更换目前在许多太阳能发电机原型中使用的贵金属催化剂,其中催化剂是由土坯元素制成的催化剂。”

尽管磷化镓具有很好的电子特性,但它具有中等大小的光学带隙,这最终限制了可被吸收的太阳光子的总比例。Moore和他的同事们现在正在研究覆盖更广太阳光谱范围的半导体,以及在较低电势下运行更快的催化剂。他们还计划研究减少二氧化碳的分子催化剂。

“我们期待着调整我们的方法,以改善改进的物质,以便将阳光转换为燃料,”摩尔说。“我们认为我们的方法为JCAP和其他地方提供了研究人员,具有开发集成光电阴极材料的重要工具,可用于未来的太阳能发电机以及能够减少净二氧化碳排放的其他技术。”

这项研究由DOE科学办公室资助。

出版物:Alexandra Krawicz等,“光共官能构建体,将用于H2产生的分子钴基催化剂界面到可见光 - 光吸收半导体”J.AM。化学。SOC。,2013,135(32),PP 11861-11868;DOI:10.1021 / JA404158R

图片:劳伦斯伯克利国家实验室

1条评论在“独特的半导体/催化剂构建体”上产生从阳光下产生氢气“

  1. 我们正在使用仅使用阳光的紫外线产生淀粉的叶子来破坏H2O原子进入质子(氢气),光合作用所需的能量。在这里,我们倾向于使用氢气以燃料目的不同于使用该氢气制造碳水化合物(C12H22O11)N的植物以生产给我们食物。但是百万的叶子的增殖肯定远远远远优于我们的实验,少​​量吸收的半导体。这只能是用于示范目的的原型,并且可以没有其他有利可图的目的。谢谢你。

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