我校材料科學(xué)與工程學(xué)院楊國偉教授研究組在10月2日出版的Nature子刊 Nature Communications上報(bào)道了他們?cè)诩{米能源材料研究中取得的重要突破。
太陽光催化分解水制氫是一項(xiàng)直接將低密度太陽能轉(zhuǎn)化為高密度化學(xué)能的新型能源-環(huán)境技術(shù)，是未來氫經(jīng)濟(jì)社會(huì)重要的技術(shù)基礎(chǔ)之一。自從1972年日本科學(xué)家Fujishima和Honda應(yīng)用二氧化鈦（TiO2）晶體作為光催化劑首次實(shí)現(xiàn)光催化分解水制氫以來，人們對(duì)光催化劑的研發(fā)主要集中于晶態(tài)材料上，而非晶態(tài)材料由于其無序結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的帶尾態(tài)不利于電荷的傳輸，則被認(rèn)為不適合用于作為光催化分解水制氫的光催化劑或沒有光催化活性。然而，楊國偉研究組此前已經(jīng)指出了非晶態(tài)材料由于具有豐富的活性位點(diǎn)在電化學(xué)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。例如，他們已經(jīng)證實(shí)了非晶態(tài)材料作為超級(jí)電容器電極材料，其綜合電化學(xué)性能可與晶態(tài)材料相媲美（Nature Communications 4 (2013) 1894），這不僅糾正以往關(guān)于非晶態(tài)材料在電化學(xué)應(yīng)用中的不正確看法，而且打開了非晶納米材料通往新能源器件應(yīng)用之門。考慮到光催化分解水制氫實(shí)際上也是一個(gè)電化學(xué)過程，所以，他們?cè)诶碚撋险J(rèn)為，非晶態(tài)材料有望實(shí)現(xiàn)高效的光催化分解水制氫。
二維非晶光催化劑的工作原理即“二維限制效應(yīng)”
近日，我校材料科學(xué)與工程學(xué)院楊國偉教授研究組在非晶光催化劑研究方面取得重要突破，他們?cè)趪H上第一次提出并實(shí)驗(yàn)證實(shí)了通過“二維限制效應(yīng)(two-dimensional confinement, 2DC)”能夠使無催化活性的非晶態(tài)材料轉(zhuǎn)變成為高性能的光催化分解水制氫材料即二維非晶光催化劑。他們采用自己發(fā)展的“金屬氧化物納米晶LAL（laser ablation in liquids, LAL）非晶化”技術(shù)，在純水中將Ni納米晶轉(zhuǎn)化為二維非晶NiO納米片，并且證實(shí)了其在不添加任何貴金屬助催化劑的情況下可以實(shí)現(xiàn)高效光催化分解水制氫。進(jìn)一步，基于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，他們提出了二維非晶光催化劑的工作原理即“二維限制效應(yīng)”。二維非晶結(jié)構(gòu)中的“長(zhǎng)程無序和短程有序”和二維效應(yīng)引入電子摻雜，對(duì)NiO本征的空穴摻雜起到了有效的補(bǔ)償，克服了晶態(tài)NiO空穴高度局域的問題。同時(shí)二維結(jié)構(gòu)縮短了電荷遷移的路徑，使得非晶NiO納米片中產(chǎn)生的電荷能夠有效到達(dá)表面。同時(shí)，二維非晶材料豐富的配位缺陷和二維結(jié)構(gòu)增大的比表面積，為后續(xù)的氧化還原反應(yīng)提供了大量的活性位點(diǎn)，賦予二維非晶NiO高效的光催化制氫活性和良好的穩(wěn)定性。顯然，這一研究不僅開拓了非晶態(tài)材料作為高效廉價(jià)光催化劑應(yīng)用于太陽光催化分解水制氫之路，而且極大地拓展了光催化材料家族。
“天線—反應(yīng)器一體化”光催化工作原理
在此基礎(chǔ)上，他們?cè)贚AL非晶化中添加甲醇，實(shí)現(xiàn)了二維非晶NiO納米片的氫摻雜，進(jìn)一步增強(qiáng)了電子摻雜濃度，制備出具有表面等離激元效應(yīng)的二維非晶NiO納米片，并且等離激元共振峰位和強(qiáng)度可以由甲醇的濃度進(jìn)行調(diào)控。實(shí)際上，引入等離激元效應(yīng)的二維非晶NiO納米片是一種“天線—反應(yīng)器一體化”的光催化劑結(jié)構(gòu)（an incorporate antenna-reactor plasmonic structure），能夠?qū)崿F(xiàn)雙通道光催化即紫外光激發(fā)下的帶間躍遷和可見光激發(fā)下的等離激元天線作用,極大地提高了二維非晶NiO光催化的效率，其光催化分解水制氫性能提高了將近20倍。
該研究成果以題目為“Two-dimensional amorphous NiO as a plasmonic photocatalyst for solar H2 evolution”的論文發(fā)表于Nature (自然)子刊Nature Communications (自然通訊)（Nature Communications 9 (2018) 4036）。該研究是楊國偉教授研究組在中山大學(xué)獨(dú)立完成，第一作者是林昭勇博士生, 通訊作者是楊國偉教授,得到了國家重大科學(xué)研究計(jì)劃和光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持。
