中国科大提出首个光解水制氢储氢一体化体系设计

By admin in 科技中心 on 2019年9月22日

近日,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室教授罗毅领导的研究小组成员江俊,与微尺度物质科学国家实验室教授赵瑾合作,利用第一性原理计算,提出了首个光解水制氢储氢一体化的材料体系设计,该方案具有低成本、通用性、安全储氢的优点。相关成果以Combining
photocatalytic hydrogen generation and capsule storage in graphene based
sandwich structures
为题发表在《自然-通讯》(Nature
Communications
)上。

近日,合肥微尺度物质科学国家实验室罗毅教授领导的研究小组成员江俊教授,与微尺度物质科学国家实验室赵瑾教授合作,利用第一性原理计算,提出了首个光解水制氢储氢一体化的材料体系设计,该方案具有低成本、通用性、安全储氢的优点。相关成果以“Combining
photocatalytic hydrogen generation and capsule storage in graphene based
sandwich structures”为题发表在《自然•通讯》(Nature Communications)上。

氢能经济(Hydrogen
economic)是20世纪70年代提出的一个最“完美”的可持续能源方案,以氢为媒介(制备、储存、运输和转化)的一种未来的经济结构设想。以用之不竭的太阳光驱动,把水分解为氢气和氧气。而氢是一种清洁能源,燃烧生成水,不会产生任何污染物,达到环保可再生可持续发展的目标。

氢能经济(Hydrogen
economic)是20世纪70年代提出的一个最“完美”的可持续能源方案,以氢为媒介(制备、储存、运输和转化)的一种未来的经济结构设想。以用之不竭的太阳光驱动,把水分解为氢气和氧气。而氢是一种清洁能源,燃烧生成水,不会产生任何污染物,达到环保可再生可持续发展的目标。

然而,长久以来光解水制氢的发展停滞不前,“氢能经济时代”的大门似乎已经关闭。其原因是氢气的收集和存储上的技术瓶颈抑制了光解水制氢的实际应用。氢气的产生依赖于光生电子和空穴分别迁移到氧化和还原位点,使得二者间距必须小于电子的平均自由程(约为10~50
nm)。如此短的间距不仅导致逆反应的发生无法避免,也增加了分离和收集氢气的困难。另一方面,氢气的安全存储是一项长期的挑战。氢气与氧气混合极易发生反应,产生爆炸,十分危险。而常用的高压液化后金属储氢成本高,使用不便。因此,在开发出低成本收集氢气和安全储氢的解决方案之前,太阳能光解水制氢无法得以有效地大规模应用。

然而,长久以来光解水制氢的发展停滞不前,“氢能经济时代”的大门似乎已经关闭。其原因是氢气的收集和存储上的技术瓶颈抑制了光解水制氢的实际应用。氢气的产生依赖于光生电子和空穴分别迁移到氧化和还原位点,使得二者间距必须小于电子的平均自由程(约为10~50
nm)。如此短的间距不仅导致逆反应的发生无法避免,也增加了分离和收集氢气的困难。另一方面,氢气的安全存储是一项长期的挑战。氢气与氧气混合极易发生反应,产生爆炸,十分危险。而常用的高压液化后金属储氢成本高,使用不便。因此,在开发出低成本收集氢气和安全储氢的解决方案之前,太阳能光解水制氢无法得以有效的大规模应用。

针对光解水制氢过程中的逆反应严重、氢气难分离和存储的问题,研究人员从英国科学家安德烈·海姆爵士和中国科大教授吴恒安的研究工作得到启发:石墨烯能够隔绝所有气体和液体,缺对质子能够“网开一面”,大方放行。利用这一大自然给质子开的“方便之门”,江俊等设计了一种二维碳氮材料与石墨烯基材料复合的三明治结构。

针对光解水制氢过程中的逆反应严重、氢气难分离和存储的问题,研究人员从英国科学家安德烈·海姆爵士和中国科学技术大学吴恒安教授的研究工作得到启发:石墨烯能够隔绝所有气体和液体,却对质子能够“网开一面”,大方放行。利用这一大自然给质子开的“方便之门”,江俊等设计了一种二维碳氮材料与石墨烯基材料复合的三明治结构。

江俊课题组长期深耕于光催化体系设计与模拟领域,聚焦于电子运动这一关键主线,通过结构设计精准调控材料体系中的电子被激发后演化行为(J.
Phys. Chem. Lett.
2016,7,1750; J. Am. Chem. Soc. 2016,128,8928;
Angew Chem. Int. Ed. 2016, 55, 6396; Angew Chem. Int. Ed. 2015, 54,
11495),提出了一系列在实验中证明行之有效的光催化体系设计。而在这次的三明治结构体系中,碳氮材料夹在两层官能团修饰的石墨烯中。第一性原理计算表明,这一体系可以同时吸收紫外光和可见光,利用太阳光能产生激子,光生激子迅速分离形成高能电子和空穴并分别迁移到中间的碳氮材料和外层的石墨烯材料上。而吸附在石墨烯基材料活性位点上的水分子在光生空穴的帮助下,发生裂解,产生质子。这些产生的质子受碳氮材料上内建静电场驱动,可穿透石墨烯材料,运动到内部的二维碳氮材料上,并且遇到电子后反应产生氢气。由于石墨烯唯一放行的仅仅是氢原子,而光解水产生的氢气不能穿透石墨烯材料,导致光解水产生的氢气分子将被安全地保留在三明治复合体系内;同时O2,OH等体系也无法进入复合体系,抑制了逆反应的发生,实现了高储氢率下的安全储氢。

江俊课题组长期深耕于光催化体系设计与模拟领域,聚焦于电子运动这一关键主线,通过结构设计精准调控材料体系中的电子被激发后演化行为(J.
Phys. Chem. Lett. 2016,7,1750; J. Am. Chem. Soc. 2016,128,8928; Angew
Chem. Int. Ed. 2016, 55, 6396; Angew Chem. Int. Ed. 2015, 54,
11495),提出了一系列在实验中证明行之有效的光催化体系设计。而在这次的三明治结构体系中,碳氮材料夹在两层官能团修饰的石墨烯中。第一性原理计算表明,这一体系可以同时吸收紫外光和可见光,利用太阳光能产生激子,光生激子迅速分离形成高能电子和空穴并分别迁移中间的碳氮材料和外层的石墨烯材料上。而吸附在石墨烯基材料活性位点上的水分子在光生空穴的帮助下,发生裂解,产生质子。这些产生的质子受碳氮材料上内建静电场驱动,可穿透石墨烯材料,运动到内部的二维碳氮材料上,并且遇到电子后反应产生氢气。由于石墨烯唯一放行的仅仅是氢原子,而光解水产生的氢气不能穿透石墨烯材料,导致光解水产生的氢气分子将被安全地保留在三明治复合体系内;同时O2,OH等体系也无法进入复合体系,抑制了逆反应的发生,实现了高储氢率下的安全储氢。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

网站地图xml地图
Copyright @ 2010-2019 澳门金沙总站 版权所有