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制氢效率高达70倍!轻质气凝胶光催化剂是怎么做到的?

2021年12月29日

2021 年 12 月 27 日消息,苏黎世,通过适当的预处理,气凝胶可以作为工业用途的高效、可见光活性光催化剂。由 Markus Niederberger 教授领导的苏黎世联邦理工学院多功能材料实验室证明,基于纳米颗粒的气凝胶可以掺杂氮,使其具有可见光活性,可用于光催化制氢气 (H 2 )。

 

该小组使用由结晶半导体纳米粒子组成的气凝胶。在其工作中,它推测,如果要使光催化对工业更有效和更有用,则催化剂必须能够吸收宽范围波长的光。

 

光催化的首选材料,半导体二氧化钛(TiO 2),只吸收紫外线 (UV) 波长的光,仅占光谱的 5%。在寻找优化 TiO 2用于光催化的方法时,研究人员 Junggou Kwon 发现用氮掺杂气凝胶会导致气凝胶中的单个氧原子被氮原子取代,从而使气凝胶能够吸收更多的可见光谱部分

 

Kwon 使用 TiO 2纳米颗粒和少量贵金属钯生产了一种气凝胶。然后她将气凝胶放入反应器中并注入氨气 (NH 3 )。NH 3 气体导致单个氮原子将自身嵌入TiO 2纳米颗粒的晶体结构中。

 

使用 NH 3气体在低温下等离子体增强化学气相沉积使氮气能够有效地整合到预制的 TiO 2气凝胶中,改善它们的光学特性,同时保留其有利的特性——它们的大表面积、广泛的孔隙率和纳米级特性。

 

镊子夹着由钯和氮掺杂的 TiO 2纳米颗粒组成的片状气凝胶。苏黎世联邦理工学院的研究人员开发了一种由气凝胶制成的光催化剂,可以更有效地生产氢气。制造方法和气凝胶需要对材料进行复杂的预处理。由 Markus Niederberger/苏黎世联邦理工学院提供。

 

为了测试改性气凝胶是否可以提高化学反应的效率——特别是从甲醇和水生产 H 2的效率——Kwon 将气凝胶整体放置在一个专门建造的反应器中。她向反应器中加入了水蒸气和甲醇,并用两个 LED 灯照射它。气体混合物通过气凝胶的孔扩散,在那里它在 TiO 2和钯纳米颗粒的表面转化为 H 2。 含有钯的气凝胶比不添加钯的气凝胶,可以产生高达 70 倍的 H 2。

 

基于纳米颗粒的气凝胶,当负载钯纳米颗粒时,可见光驱动的光催化 H 2产生显着增强,连续五天显示出优异的稳定性,此时实验结束。

 

“这个过程可能会稳定更长时间,”Niederberger :“特别是在工业应用方面,重要的是它尽可能长时间保持稳定。”

 

作为具有特殊 3D 结构的新型光催化剂,气凝胶提供了除 H 2产生之外进行额外气相反应的潜力。与使用电流驱动化学反应的电解相比,光催化只需要光。

 

Niederberger 团队开发的气凝胶主要是作为可行性研究完成的;需要进一步调查以确定该小组的技术是否可用于大规模生产 H 2。

 

例如,研究人员仍然需要解决如何加速气体通过气凝胶极小孔的流动。

 

“要在工业规模上运行这样的系统,我们首先必须增加气体流量并改善气凝胶的辐照,”Niederberger 说。

 

苏黎世联邦理工学院研究人员使用氮掺杂工艺生产的气凝胶海绵状内部结构的 SEM 图像。由多功能材料实验室/苏黎世联邦理工学院提供。

 

研究人员说,ETH Zurich 小组展示的高效光催化性能是优化掺杂条件的结果,这在光吸收和电荷分离效率之间提供了适当的权衡。这种用于改性预成型气凝胶整料的气相氮化工艺是一种系统地提高纳米颗粒气凝胶在可见光下的光催化效率的方法,显着扩大了气凝胶作为光催化剂的应用潜力。

 

该研究发表在ACS  Applied Materials & Interfaces 上。