杨国伟教授研究组在纳米能源材料研究中取得重要突破

       杨国伟教授研究组在2018年10月2日出版的Nature子刊 Nature Communications上报道了他们在纳米能源材料研究中取得的重要突破。

      太阳光催化分解水制氢是一项直接将低密度太阳能转化为高密度化学能的新型能源-环境技术,是未来氢经济社会重要的技术基础之一。自从1972年日本科学家Fujishima和Honda应用二氧化钛(TiO2)晶体作为光催化剂首次实现光催化分解水制氢以来,人们对光催化剂的研发主要集中于晶态材料上,而非晶态材料由于其无序结构产生的带尾态不利于电荷的传输,则被认为不适合用于作为光催化分解水制氢的光催化剂或没有光催化活性。然而,杨国伟研究组此前已经指出了非晶态材料由于具有丰富的活性位点在电化学领域有着重要的应用。例如,他们已经证实了非晶态材料作为超级电容器电极材料,其综合电化学性能可与晶态材料相媲美(Nature Communications 4 (2013) 1894),这不仅纠正以往关于非晶态材料在电化学应用中的不正确看法,而且打开了非晶纳米材料通往新能源器件应用之门。考虑到光催化分解水制氢实际上也是一个电化学过程,所以,他们在理论上认为,非晶态材料有望实现高效的光催化分解水制氢。

       最近,杨国伟教授研究组的林昭勇博士生在非晶光催化剂研究方面取得重要突破,他们在国际上第一次提出并实验证实了通过“二维限制效应(two-dimensional confinement, 2DC)”能够使无催化活性的非晶态材料转变成为高性能的光催化分解水制氢材料即二维非晶光催化剂。他们采用自己发展的“金属氧化物纳米晶LAL  (laser ablation in liquids, LAL) 非晶化”技术,在纯水中将Ni纳米晶转化为二维非晶NiO纳米片,并且证实了其在不添加任何贵金属助催化剂的情况下可以实现高效光催化分解水制氢。进一步,基于大量的实验数据和理论分析,他们提出了二维非晶光催化剂的工作原理即“二维限制效应”。二维非晶结构中的“长程无序和短程有序”和二维效应引入电子掺杂,对NiO本征的空穴掺杂起到了有效的补偿,克服了晶态NiO空穴高度局域的问题。同时二维结构缩短了电荷迁移的路径,使得非晶NiO纳米片中产生的电荷能够有效到达表面。同时,二维非晶材料丰富的配位缺陷和二维结构增大的比表面积,为后续的氧化还原反应提供了大量的活性位点,赋予二维非晶NiO高效的光催化制氢活性和良好的稳定性。显然,这一研究不仅开拓了非晶态材料作为高效廉价光催化剂应用于太阳光催化分解水制氢之路,而且极大地拓展了光催化材料家族。

       在此基础上,他们在LAL非晶化中添加甲醇,实现了二维非晶NiO纳米片的氢掺杂,进一步增强了电子掺杂浓度,制备出具有表面等离激元效应的二维非晶NiO纳米片,并且等离激元共振峰位和强度可以由甲醇的浓度进行调控。实际上,引入等离激元效应的二维非晶NiO纳米片是一种“天线—反应器一体化”的光催化剂结构(an incorporate antenna-reactor plasmonic structure),能够实现双通道光催化即紫外光激发下的带间跃迁和可见光激发下的等离激元天线作用,极大地提高了二维非晶NiO光催化的效率,其光催化分解水制氢性能提高了将近20倍。

         该研究成果以题目为“Two-dimensional amorphous NiO as a plasmonic photocatalyst for solar H2 evolution”的论文发表于Nature (自然)子刊Nature Communications (自然通讯)(Nature Communications 9 (2018) 4036)。该研究是杨国伟教授研究组在中山大学独立完成的,第一作者是林昭勇博士生, 论文通讯作者是杨国伟教授,得到了国家重大科学研究计划和光电材料与技术国家重点实验室的大力支持。

论文连接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-06456-y

 

 

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