反應(yīng)體系生成可觀量氫氣

  光催化水分解制氫反應(yīng)時發(fā)現(xiàn)：反應(yīng)體系生成可觀量氫氣

  近年來，太陽能光催化分解水研究受到世界范圍的廣泛關(guān)注。導(dǎo)體光催化劑上分解水的基本原理是光催化劑受到光激發(fā)后產(chǎn)生光生電子與空穴，光生電子與空穴分離并遷移至光催化劑表面進(jìn)而發(fā)生氧化還原反應(yīng)。傳統(tǒng)的光催化或光化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的前提條件要求光催化劑或參與光化學(xué)反應(yīng)的分子被激發(fā)光所激發(fā)，而傳統(tǒng)的絕緣體材料(以SiO2為例)由于其帶隙大于8.0 eV，不能被普通光源所激發(fā)，而被認(rèn)為不可能實現(xiàn)光催化制氫反應(yīng)。

  近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所潔凈能源國jia實驗室太陽能研究部研究員、中科院院士李燦和博士李仁貴等人在光催化水分解制氫反應(yīng)研究中意外發(fā)現(xiàn)，以典型的甲醇溶液作為反應(yīng)溶液，用傳統(tǒng)的石英反應(yīng)器，在高壓汞燈作為光源(激發(fā)光能量遠(yuǎn)小于石英的帶隙)的情況下，在沒有加入任何半導(dǎo)體光催化劑的情況下，反應(yīng)體系生成了可觀量的H2。相關(guān)結(jié)果在線發(fā)表在Scientific Reports上(Rengui Li and Can Li et al,Scientific Reports, 2015, 5, 13475)。

  光催化制氫研究領(lǐng)域通常采用CH3OH作為產(chǎn)氫半反應(yīng)的犧牲劑以探測光催化劑的質(zhì)子還原反應(yīng)能力。但在本工作中，研究人員用光催化反應(yīng)研究廣泛使用的石英反應(yīng)器，在高壓汞燈作為光源、在沒有加入任何光催化劑的空白反應(yīng)實驗中觀察到氫氣的生成；隨后通過反應(yīng)條件的調(diào)變(溶液濃度、pH值、激發(fā)波長以及不同波長激光作為光源等條件的調(diào)控)，確認(rèn)了H2的產(chǎn)生源于石英反應(yīng)器與甲醇水溶液的界面上。為了增大絕緣體與溶液的接觸界面，研究人員在反應(yīng)體系中加入絕緣體的顆粒(SiO2，Al2O3等)并擔(dān)載少量Pt作為產(chǎn)氫助催化劑時，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氫的量可以得到大幅度提升；從而確認(rèn)在激發(fā)光源能量遠(yuǎn)小于絕緣體帶隙的條件下，絕緣體表面顯示出光催化重整甲醇制氫的活性。

  研究人員進(jìn)一步通過熒光光譜(PL)、電子自旋共振(ESR)等表征發(fā)現(xiàn)，石英自身由于在高溫退火制成過程中會不可避免地在表面生成少量的缺陷態(tài)，初步認(rèn)為這些缺陷態(tài)形成的淺能級可以被能量遠(yuǎn)小于石英帶隙的光子所激發(fā)，產(chǎn)生的光生電子參與質(zhì)子還原反應(yīng)而生成H2；由于貴金屬Pt加速了光生電子參與質(zhì)子還原的放氫反應(yīng)，故在絕緣體表面擔(dān)載少量Pt可顯著增加氫的產(chǎn)量。該工作拓展了大家對絕緣體表面物理化學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識，特別是對發(fā)展和完善半導(dǎo)體多相光催化理論和實驗具有重要意義。