光催化分解水：開發可再生能源的一種有效途徑！

導讀

近日，德國慕尼黑大學（LMU）

的物理學家們與維爾茨堡大學

的

化學家們展開合作，首次成功地演示了一種在

一體化

光催化系統幫助下完全地分解水的方案。

背景

近年來，全球氣候變暖引起了社會各界的廣泛關注。然而，全球氣候變暖的主要原因在於：近一個世紀以來，人類大量使用礦物燃料（如煤、石油等），排放出大量的二氧化碳等多種溫室氣體。全球變暖會帶來全球降水量重新分配，冰川和凍土消融，海平面上升等，不僅危害到自然生態系統的平衡，更威脅到人類的食物供應與居住環境。

（圖片來源：維基百科）

因此，人類急需

擺脫礦物燃料，開發出既有創新性又有經濟效益的可再生能源。

太陽能水分解

是一種製造潔凈、可再生能源的富有前景的方法。基於半導體納米顆粒的新型催化劑，

現在

已經被證明可促進「

人工光合作用（"artificial photosynthesis）

」所需的所有反應。

通過光催化作用將水分解為氫燃料和氧氣，提供了一種特別吸引人注目的方案。

但是，模仿生物光合作用，高效地實現這一個過程，在技術上頗具挑戰性。原因在於：這包括了一系列會相互影響的過程。

創新

近日，德國慕尼黑大學（LMU）

博士

Jacek Stolarczyk

與教授

Jochen
Feldmann 領導的物理學家們與維爾茨堡大學

教授

Frank Würthner

領導化學家們展開合作，首次成功地演示了一種在

一體化

光催化系統幫助下完全地分解水的方案。他們的新研究發表在《自然能源（

Nature Energy

）》期刊上。

這種新的催化系統可以作為一種分解水的多功能工具（圖片來源：C. Hohmann, NIM）

技術

光催化分解水分子的技術方法採用了人工合成成分，模仿自然光合作用期間發生的複雜過程。在這種系統中，吸收光量子（光子）的

半導體納米顆粒

，原則上可以作為光催化劑。吸收一個光子，會產生一個帶負電荷的粒子（電子）和一個帶正電荷的個體（空穴），這兩個必須是空間分離的，從而使得水分子可通過得到電子被還原成氫氣，也可以通過得到空穴被氧化成氧氣。

（圖片來源：參考資料【2】）

Stolarczyk

表示：「如果有人只想從水中生成氫氣，通常需要通過添加犧牲性的化學試劑來迅速去除這些空穴。但是為了實現完整的水分解，系統中的空穴必須被保留，從而驅動水氧化的緩慢進程。」

問題在於：在單個粒子上讓兩個「半反應（half-reactions）」同時發生，同時保證電性相反的個體不會再次結合。

此外，許多半導體會自身氧化，因此會被帶正電荷的空穴破壞。

Stolarczyk

解釋道：「我們採用由半導體材料

硫酸鎘（

cadmium sulfate

）製成的納米棒

，並且

在納米晶體上

通過

空間分離氧化和還原反應發生的區域

，從而解決了這一問題。」

研究人員用

鉑微粒

修飾納米棒的尖端，而鉑微粒可作為吸收光線激發的電子的受體。慕尼黑大學之前已經展示過，這種配置可為水還原成氫氣提供一種有效的光催化劑。另外一方面，氧化反應發生於納米棒的另一端。為此，慕尼黑大學的研究人員在側表面貼上了

維爾茨堡大學

團隊開發的

釕基氧化催化劑

。這種成分具有

官能團

，可以將它固定到納米棒上。

維爾茨堡大學的項目發起人之一

Peter Frischmann

博士表示：「這些

官能團為空穴到催化劑提供了極快的輸運，有效地促進了氧氣的生成，並使得納米棒的損傷降到最低。

」

價值

這項研究是跨學科項目「

Solar Technologies Go Hybrid

」（

SolTech

）的一部分，該項目由德國巴伐利亞州贊助。

慕尼黑大學光子學與光電子學主席 Jochen Feldmann

教授表示：「

SolTech

的任務就是為太陽能到

非化石能源

的轉化探索創新理念。」

與

Feldmann

一起發起 SolTech 項目的

Würthner

補充道 ：「

新型光催化系統的開發，是

SolTech

如何將處於不同地點以及不同學科的專家結合起來的一個好示例。該項目的成功離不開兩個研究所的化學家與物理學家的跨學科合作。

」

關鍵字

光催化、水分解、新能源

參考資料

【1】https://www.en.uni-muenchen.de/news/newsarchiv/2018/stolarczyk_photokatalyse.html

【2】Christian M. Wolff, Peter D. Frischmann, Marcus Schulze, Bernhard J.
Bohn, Robin Wein, Panajotis Livadas, Michael T. Carlson, Frank J?ckel,
Jochen Feldmann, Frank Würthner, Jacek K. Stolarczyk.

All-in-one visible-light-driven water splitting by combining nanoparticulate and molecular co-catalysts on CdS nanorods

. Nature Energy, 2018; DOI: 10.1038/s41560-018-0229-6

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