新技术可利用阳光、水和赤铁矿高效生产氢气

由神户大学分子光科学研究中心的立川隆史副教授领导的一个研究小组成功地制定了一种策略，可以大大提高使用赤铁矿光催化剂从阳光和水中产生的氢气量。

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介晶光阳极的形成和光化学水分解特性。赤铁矿介晶的电子显微镜图像（由约5nm的微小纳米粒子组装而成）。b 。阳极产生的气体。C 。该图显示了电流密度和施加的电压。阳极是光催化剂阳极，并且铂电极用作阴极。电位基于RHE（可逆氢电极）。氧化电位为1.23V 。通过使介晶结构中的纳米粒子变小，太阳能水分解能力大大提高。
研究背景氢作为一种可能的下一代能源解决方案受到关注，它可以使用光催化剂从阳光和水中产生。为了使其可行，除了寻找用于催化剂的新材料之外，还必须开发基础技术以优化光催化剂的潜力。
这次，立川等人成功生产出具有极高电导率的光电阳极。仅通过将赤铁矿中间晶体（由约5nm的微小纳米颗粒组成的超结构）退火到透明电极基板上即可实现。赤铁矿可以吸收广泛的可见光，并且安全稳定且便宜。
利用该光电阳极，由光源产生的电子和空穴迅速分离，同时大量的空穴密集地聚集在颗粒的表面上。空穴的积累提高了水氧化反应的效率，水的缓慢氧化以前一直是水分解的瓶颈。

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赤铁矿介晶的光电导性。一个。光电导AFM（* 10）测量结果的图示。b 。该图显示了相应的电流/电流电势曲线。插图显示测得的介晶（由5nm纳米微粒的烧结介晶产生）。
要点

通过积累和烧结小于10纳米的高度取向的微小纳米粒子，在赤铁矿细晶内部形成了许多氧空位。
氧空位的存在改善了光催化剂电极的电导率，同时使其具有显着的表面电势梯度，从而促进了电子和空穴的分离。
同时，大量的孔移到了颗粒的表面，从而允许从水中放出大量的氧气。这使研究人员能够实现全球最高的赤铁矿阳极太阳能水分解性能。
从太阳能水分解开始，该策略可应用于多种光催化剂。

随着世界面临越来越多的环境和能源问题，氢作为一种可能的下一代能源而受到关注。理想情况下，可以使用光催化剂将水和阳光转化为氢。
但是，要使这种系统在工业上被采用，必须有超过10％的太阳能转化率。利用日本在新材料发现方面的优势，建立一种可以释放光催化剂潜力的通用基础技术以实现此目标至关重要。
此前，立川等人开发了“介晶技术”，该技术涉及使光催化剂中的纳米粒子精确排列以控制电子及其空穴的流动。最近，他们将该技术应用于赤铁矿（a-Fe 2 O 3），并成功地显着提高了转化率。
这次，他们能够通过在赤铁矿中合成微小的纳米颗粒亚基，将转化率提高到理论极限（16％）的42％。
中晶技术赤铁矿细晶的太阳水分解机理。一个。介晶内的氧空位（Vo）的形成和能带结构。小于1nm的耗尽层会促进电子分裂和水氧化。CB：导带，VB：价带，e-：电子，h +：空穴。b 。根据电势梯度，大量的空穴聚集在粒子表面上并氧化水，从而导致活化能（Ea）大大降低，并提高了转化率。

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1 / 1赤铁矿细晶的太阳水分解机理。一个。介晶内的氧空位（Vo）的形成和能带结构。小于1nm的耗尽层会促进电子分裂和水氧化。CB：导带，VB：价带，e-：电子，h +：空穴。b 。根据电势梯度，大量的空穴聚集在粒子表面上并氧化水，从而导致活化能（Ea）大大降低，并提高了转化率。
导致光催化反应转化率下降的主要问题是光产生的电子和空穴在与表面上的分子（在这种情况下为水）发生反应之前会重新结合。
立川等人通过溶剂热合成产生具有高度取向的纳米粒子的赤铁矿中晶超结构。他们能够通过将介晶积累和烧结到透明电极基板上来开发用于水分解的导电介晶光电阳极。
光催化剂的形成和性能通过用含钛的赤铁矿细晶涂覆透明电极基板，然后在700oC下对其进行退火，可以生成细晶光电阳极。助催化剂沉积在介晶的表面上。当将光催化剂置于碱性溶液中并用人造阳光照射时，在1.23V的施加电压下，水分解反应在5.5mAcm-2的光电流密度下发生（图1）。
这是赤铁矿在世界上获得的最高性能，赤铁矿由于其低成本和光吸收特性而成为最理想的光催化剂材料之一。另外，赤铁矿中间晶体光阳极在重复实验过程中在100小时的过程中稳定运行。
实现高转化率的关键是组成介晶结构的纳米颗粒的尺寸。通过使纳米颗粒小至5 nm并增加纳米颗粒之间的连接界面，可以极大地增加在烧结过程中形成的氧空位的数量。这提高了电子密度，并显着提高了介晶的电导率。
高电子密度与中晶表面附近的大带弯曲的形成有关。这促进了初始电荷分离，并使空穴更容易在表面上累积。由于介晶的微小纳米颗粒结构，该结果得到了优化，并促进了水氧化反应，而这一直是有效水分解的瓶颈。
这项研究表明，介晶技术能够极大地减少重组问题，而重组问题是光催化剂效率低下的主要原因，并成倍地加速了水分解反应。
接下来，研究人员将与行业合作，以优化赤铁矿中晶光电阳极，并实施从太阳能产生氢的工业系统。同时，这项研究开发的策略将应用于各种反应，包括人工光合作用。
【新技术可利用阳光、水和赤铁矿高效生产氢气】