中國大陸團隊透過「補鈣」 提高太陽能光解水制氫效率

中國科學院金屬研究所表示，該所太陽能與氫能材料研究團隊最新研究發現，利用一種叫做「晶格工程」的策略，通過給光催化材料聚三嗪醯亞胺（PTI）「補鈣」改變生長的「配方」，成功讓它內部的光生電荷更容易分開並且各行其道，提高太陽能光解水制氫效率。

中新社報導，這項光催化分解水制氫領域的重要研究成果論文，近日在國際學術期刊《自然-通訊》發表。該研究為調控聚合物半導體光催化材料的光物理屬性、推動聚合物半導體材料在不同光能轉換場景中的應用，提供了可參考的有效策略。

研究團隊介紹說，PTI是一種碳氮聚合物半導體，因其低成本、環境友好、能帶結構合適等特性，被認為在開展低成本規模化全分解水制氫方面具有巨大潛力。然而，當前PTI的光催化分解純水制氫效率仍然較低，這主要歸結於其作為聚合物材料的一些致命弱點，這也是許多聚合物半導體材料在將光能轉化為其他能量形式時面臨的共同挑戰。

以往製備PTI時，使用的是氯化鋰和氯化鉀的混合熔鹽，並由熔鹽冷卻時析出的氯化鉀晶體作為PTI形核和生長的基體，得到的是PTI六棱柱晶體（PTI-LiK）。

在本項研究中，研究團隊改變了PTI材料的生長環境和形核生長的基體，通過改用氯化鋰和氯化鈣的混合熔鹽，由熔鹽冷卻時析出的氯化鈣晶體作為PTI形核和生長的基體，最終製備出一種鈣摻雜（補鈣）PTI六棱納米盤（PTI-LiCa），實現「激子」中光生電子和「空穴」之間的結合能從48.2毫電子伏大大降低到15.4毫電子伏，比室溫下的熱擾動能（25.7毫電子伏）還要低，也即在室溫環境的熱擾動下，激子中的光生電子和「空穴」就會自動「分手」，產生激子自發解離現象，形成自由電荷。利用先進的超快光譜技術，研究團隊親眼看到這一解離過程。

此外，解離後自由的光生電子和「空穴」能夠朝著不同的方向移動，就像沿著為它們規劃的「單行道」分道揚鑣，從而在空間上分離了制氫和制氧的反應位點，這有效避免了相互干擾和副反應的發生。

研究團隊表示，得益於「補鈣」產生的功效，光催化劑分解純水初始制氫活性提高了3.4倍。