|
| |
| 中科院蘇州醫工所：太陽(yáng)能制氫：離夢(mèng)想更近一步 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2015-08-27 10:06:37 瀏覽次數： |
|
| |
“事非經(jīng)過(guò)不知難。也正是這種不斷的思考，實(shí)踐，失敗，反思，再思考，再實(shí)踐的螺旋上升的過(guò)程，更能體現科研的樂(lè )趣和魅力，正是這種很艱辛的科研探索促進(jìn)了對自身科學(xué)思維能力的鍛煉和提升。”
隨著(zhù)全球能源和環(huán)境危機日益加重，太陽(yáng)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(huán)境問(wèn)題方面具有巨大的潛在價(jià)值。
太陽(yáng)能制氫，是人類(lèi)探索太陽(yáng)能利用的美好愿景，近年來(lái)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界進(jìn)行了大量的努力和探索。到目前為止，科學(xué)家對太陽(yáng)能制氫的研究主要集中在如下幾種技術(shù)：熱化學(xué)法制氫、光電化學(xué)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(yáng)光照射裂解水產(chǎn)生氫氣能源的光電化學(xué)方法，由于其原理簡(jiǎn)單、過(guò)程環(huán)保且氫氣燃料能量密度高而備受矚目。而這種技術(shù)的關(guān)鍵在于高效、低成本、長(cháng)壽命光催化材料的合成。
近日，中國科學(xué)院蘇州生物醫學(xué)工程技術(shù)研究所在納米棒陣列可見(jiàn)光催化裂解水產(chǎn)氫研究上取得重大突破，相關(guān)結果發(fā)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最新成果——利用簡(jiǎn)便的水熱合成方法制備了超長(cháng)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(jiàn)光光電響應特性和光催化活性，具備一定的產(chǎn)氫能力，便于和微納光電子器件集成，在太陽(yáng)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(shuō)。
記者了解到，現有的很多高效穩定的光電化學(xué)裂解水系統主要是基于TiO2、 Fe2O3和ZnO等半導體材料開(kāi)發(fā)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(yáng)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(yáng)能利用率比較低。”董文飛告訴記者。
而他們的研究?jì)r(jià)值正在于此。董文飛等科研人員發(fā)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(jiàn)光波段，從而有效利用太陽(yáng)光各波段光譜的能量，提高了其太陽(yáng)光光催化性能。
他們同時(shí)進(jìn)行了光電化學(xué)性能表征和可見(jiàn)光催化裂解水產(chǎn)氫測試。實(shí)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(jiàn)光波段具有良好的光吸收特性，能量轉化效率較高，化學(xué)性質(zhì)穩定，對環(huán)境無(wú)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(xué)領(lǐng)域應用前景良好。”董文飛說(shuō)。
克服重重險阻
“如何制備超長(cháng)的單晶ZnO納米棒，是研究中比較難解決的問(wèn)題。”董文飛坦言，這是整個(gè)實(shí)驗工作的基礎。
“目前常見(jiàn)的太陽(yáng)能光催化產(chǎn)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(dòng)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(jiàn)光催化產(chǎn)氫等一系列實(shí)驗數據。”董文飛說(shuō)。
為此，他們設計加工了石英測試池和輔助器材，利用電化學(xué)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(shí)，利用粉末狀材料的光催化產(chǎn)氫系統，經(jīng)過(guò)結構改造獲得了同等條件下薄膜材料的光催化產(chǎn)氫數據。
而所有工作中最關(guān)鍵也最耗費心血的就是材料的設計和制備。通常一個(gè)材料的制作周期是一個(gè)星期，實(shí)驗工作每天最常見(jiàn)的就是配制生長(cháng)液、旋涂晶種、高溫退火、材料生長(cháng)以及清洗樣品。從早晨到實(shí)驗室一直到晚上很晚離開(kāi)，中間除了午飯的半個(gè)小時(shí)以外，基本全部投入實(shí)驗，如此反復，枯燥乏味。
“每一步都必須小心謹慎，很可能一個(gè)疏忽，會(huì )導致一批樣品制備失敗，需要投入很大的耐心。”董文飛說(shuō)。制備一批材料以后，還需要進(jìn)行后續的測試，不斷根據實(shí)驗結果進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)常會(huì )遇到兩個(gè)星期的材料制備后，實(shí)驗結果不理想，一無(wú)所獲的情況。但還是沒(méi)有灰心氣餒，堅持下來(lái)了，從最初實(shí)驗設計到最后獲得可以接受的穩定的實(shí)驗結果，前后大約7個(gè)月時(shí)間。
“事非經(jīng)過(guò)不知難。也正是這種不斷的思考，實(shí)踐，失敗，反思，再思考，再實(shí)踐的螺旋上升的過(guò)程，更能體現科研的樂(lè )趣和魅力，正是這種很艱辛的科研探索促進(jìn)了對自身科學(xué)思維能力的鍛煉和提升。”董文飛說(shuō)。
向材料體系拓展
“利用簡(jiǎn)易的水熱合成方法可以大批量制備，并具有穩定高效的產(chǎn)氫能力。”董文飛說(shuō)，同時(shí)這種方法能夠避免使用有毒的Pb、Cd和Se等元素的硫化物，減少了對環(huán)境的不利影響。
“已經(jīng)完成的工作只是一個(gè)初步的探索和實(shí)踐。后續的工作將不拘泥于單一材料，實(shí)驗將向系列化的材料體系拓展。”談及下一步研究，董文飛表示他們還將利用研究組之前的材料研究積累和新搭建的生物測試平臺，在材料形貌設計和性能調控等方面作更多的探索，目標是使所用的材料體系便于微納結構化制備和系統集成，以期在微納能源和生物檢測系統等方面發(fā)揮作用。
“基于這項初步的探索工作，后續我們將主要關(guān)注三個(gè)方面：一是將這項工作拓展到更有普遍意義的寬禁帶半導體和窄禁帶半導體相結合的材料，可以更好地利用太陽(yáng)光全光譜的能量；二是受到這項工作的啟發(fā)，以現有材料良好的光催化性能為基礎，探索制備鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，獲得更高的光電轉換效率；三是將這種材料應用于生物檢測系統，充分發(fā)揮我們研究所生物檢測平臺的技術(shù)優(yōu)勢，并且目前已經(jīng)獲得了初步的實(shí)驗結果。”董文飛說(shuō)。
?歡迎進(jìn)入【粉體論壇】
|
|
|
| |
|
| |
|
|
|
|
|
|
