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太陽能制氫:離夢想更近一步

時間:2015-08-10?? 作者:三維光伏支架 點擊: 261次


   隨著全球能源和環境危機日益加重,太陽能作為一種清潔和可持續利用的能源,被認為在應對全球能源和環境問題方面具有巨大的潛在價值。
   太陽能制氫,是人類探索太陽能利用的美好愿景,近年來學術界和產業界進行了大量的努力和探索。到目前為止,科學家對太陽能制氫的研究主要集中在如下幾種技術:熱化學法制氫、光電化學分解法制氫、光催化法制氫、人工光合作用制氫和生物制氫。
   其中,利用太陽光照射裂解水產生氫氣能源的光電化學方法,由于其原理簡單、過程環保且氫氣燃料能量密度高而備受矚目。而這種技術的關鍵在于高效、低成本、長壽命光催化材料的合成。
   近日,中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所在納米棒陣列可見光催化裂解水產氫研究上取得重大突破,相關結果發表在nanoscale雜志。
   神奇的納米棒陣列
   中科院蘇州醫工所研究員董文飛向記者介紹了他們的很新成果——利用簡便的水熱合成方法制備了超長zno@tio2核殼結構納米棒陣列,并在納米棒表面負載納米結構的多金屬硫化物固溶體,形成高比表面積的薄膜電極材料。
   “這種薄膜電極材料具有較好的可見光光電響應特性和光催化活性,具備一定的產氫能力,便于和微納光電子器件集成,在太陽能電池、微納能源和生物檢測系統等方面有良好的應用前景。”董文飛說。
   記者了解到,現有的很多高效穩定的光電化學裂解水系統主要是基于tio2、fe2o3和zno等半導體材料開發的。其中,單晶zno納米棒陣列是一種良好的電極材料,具有快速的電子傳輸通道和較高的光轉換效率。
   “但是,zno和tio2都是寬帶隙半導體材料,僅能吸收太陽光譜中的紫外光波段的能量,并且內部激子復合速率很高,由此導致太陽能利用率比較低。”董文飛告訴記者。
   而他們的研究價值正在于此。董文飛等科研人員發現可以利用cds、cdse和pbs等窄帶隙金屬硫化物半導體材料修飾單晶zno納米棒表面,將吸收光譜拓展至可見光波段,從而有效利用太陽光各波段光譜的能量,提高了其太陽光光催化性能。
   他們同時進行了光電化學性能表征和可見光催化裂解水產氫測試。實驗測試數據表明,他們制備的這種表面負載多金屬硫化物固溶體的zno@tio2納米棒陣列,在可見光波段具有良好的光吸收特性,能量轉化效率較高,化學性質穩定,對環境無毒性且與其他材料體系相容性較好。“特別地,其便于與微納光電子器件集成,在能源和納米光電子學領域應用前景良好。”董文飛說。
   克服重重險阻
   “如何制備超長的單晶zno納米棒,是研究中比較難解決的問題。”董文飛坦言,這是整個實驗工作的基礎。
   “目前常見的太陽能光催化產氫材料多以粉末狀材料的形式存在,針對我們制備的薄膜材料,需要動手搭建測試平臺,才能利用商用光電測試系統獲得光電響應和可見光催化產氫等一系列實驗數據。”董文飛說。
   為此,他們設計加工了石英測試池和輔助器材,利用電化學工作平臺和光功率計等儀器獲得了薄膜材料的光電響應數據。同時,利用粉末狀材料的光催化產氫系統,經過結構改造獲得了同等條件下薄膜材料的光催化產氫數據。
   而所有工作中很關鍵也很耗費心血的就是材料的設計和制備。通常一個材料的制作周期是一個星期,實驗工作每天很常見的就是配制生長液、旋涂晶種、高溫退火、材料生長以及清洗樣品。從早晨到實驗室一直到晚上很晚離開,中間除了午飯的半個小時以外,基本全部投入實驗,如此反復,枯燥乏味。
   “每一步都必須小心謹慎,很可能一個疏忽,會導致一批樣品制備失敗,需要投入很大的耐心。”董文飛說。制備一批材料以后,還需要進行后續的測試,不斷根據實驗結果進行優化。經常會遇到兩個星期的材料制備后,實驗結果不理想,一無所獲的情況。但還是沒有灰心氣餒,堅持下來了,從很初實驗設計到很后獲得可以接受的穩定的實驗結果,前后大約7個月時間。
   “事非經過不知難。也正是這種不斷的思考,實踐,失敗,反思,再思考,再實踐的螺旋上升的過程,更能體現科研的樂趣和魅力,正是這種很艱辛的科研探索促進了對自身科學思維能力的鍛煉和提升。”董文飛說。

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