日本東京科學(xué)大學(xué)（Science Tokyo）開(kāi)發(fā)出一種新型染料敏化光催化劑，可有效捕獲長(zhǎng)波長(zhǎng)可見(jiàn)光用于高效制氫，其性能超越了傳統(tǒng)光催化體系。

研究人員通過(guò)將傳統(tǒng)配合物中的金屬中心替換為鋨，成功制備出一種能夠吸收波長(zhǎng)超過(guò)600nm光的光催化劑。這一吸收特性的改變，使該體系能夠利用更寬范圍的太陽(yáng)光譜，產(chǎn)生更多激發(fā)電子，從而顯著提升析氫性能。

太陽(yáng)能制氫是一種極具前景的策略，可在不產(chǎn)生碳排放的情況下實(shí)現(xiàn)清潔、可再生燃料的生產(chǎn)。太陽(yáng)能到氫能的轉(zhuǎn)化過(guò)程通常依賴(lài)光催化劑，這類(lèi)材料通過(guò)吸收陽(yáng)光并利用光能將水分解為氫氣和氧氣。

然而，在大多數(shù)傳統(tǒng)體系中，光催化劑只能吸收部分可見(jiàn)光譜，這意味著太陽(yáng)能中的大量能量未被充分利用。為提升制氫效率，亟需開(kāi)發(fā)能夠捕獲更寬光譜范圍的新型光催化劑。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，日本東京科學(xué)大學(xué)教授前田和彥（Kazuhiko Maeda）及其研究生山本遙（Haruka Yamamoto）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)了一種新型染料敏化光催化劑，能夠吸收波長(zhǎng)最長(zhǎng)可達(dá)約800nm的長(zhǎng)波長(zhǎng)可見(jiàn)光。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《ACS Catalysis》期刊上，結(jié)果顯示，該體系的太陽(yáng)能制氫轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到傳統(tǒng)體系的兩倍。

染料敏化光催化劑是一類(lèi)通過(guò)將催化劑與可吸收可見(jiàn)光的染料分子相結(jié)合而形成的材料，其中染料分子相當(dāng)于一個(gè)“微型天線”，負(fù)責(zé)捕獲太陽(yáng)光并將能量傳遞至催化劑表面。

前田教授解釋道：“染料敏化光催化劑通常使用釕配合物作為光敏染料，但釕基配合物一般只能吸收波長(zhǎng)不超過(guò)600nm的較短可見(jiàn)光�！�

基于這一限制，研究團(tuán)隊(duì)將配合物中的金屬核心由釕替換為鋨。這一改變顯著拓寬了太陽(yáng)光的吸收范圍，使光催化劑能夠利用更多太陽(yáng)能，產(chǎn)生額外的激發(fā)電子，并直接促進(jìn)析氫反應(yīng)性能的提升。這種性能提升源于鋨的“重原子效應(yīng)”，該效應(yīng)可促進(jìn)單線態(tài)—三線態(tài)躍遷，這是一種低能量電子躍遷機(jī)制，使材料能夠吸收長(zhǎng)波長(zhǎng)可見(jiàn)光。

前田表示：“在拓展光吸收范圍的研究中，鋨被證明是關(guān)鍵元素，它能夠利用釕配合物無(wú)法吸收的波長(zhǎng)區(qū)間，從而實(shí)現(xiàn)氫氣產(chǎn)率提升一倍的效果�！�

效率的提升表明，該光催化劑即使在弱光或散射光條件下，也能將更多入射光子轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。這一特性對(duì)人工光合作用和太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化材料等在真實(shí)環(huán)境下運(yùn)行的技術(shù)尤為重要。

盡管研究人員仍在進(jìn)一步優(yōu)化金屬配合物結(jié)構(gòu)，但該研究已為下一代光催化劑奠定了重要基礎(chǔ)，為未來(lái)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展及可持續(xù)能源的廣泛應(yīng)用鋪平了道路。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.5c06687?utm_source=chatgpt.com

（素材來(lái)自：日本東京科學(xué)大學(xué) 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）