中国科大提出红外光进行解水制氢新机制

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中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室、化学与材料科学学院杨金龙教授研究组最近提出了一种新的光解水催化机制，使得利用红外光进行光解水制氢成为可能，为今后利用太阳光所有频率的能量铺平了道路。这一成果发表于最新一期《物理评论快报》上。
用太阳光分解水制氢，为人类提供清洁燃料，一直被视为化学的“圣杯”。水分解是吸热反应，传统理论要求光催化剂吸收的单个光子能量至少要大于反应吸热，因而占太阳光能量近一半的红外光因为单个光子能量太低，无法被吸收来分解水制氢。
杨金龙研究组提出本身具有电偶极矩的二维纳米催化剂，可突破传统理论对催化剂吸收单个光子能量的限制，用红外光也可以分解水产生氢气。这种催化剂内存在的偶极会产生内电场，吸附在催化剂两个表面上的水分子会感受到不同的静电环境，从而导致两个表面上水发生氧化还原的条件变得不再相同。如果氧化和还原分别发生在不同的表面，催化剂受到的最小单光子能量的限制原则上将不再存在。在这一新的光解水机制中，不仅紫外光和可见光，红外光也可以用来促使水分解产生氢气。另外，这种催化剂的光激发是一个电荷转移过程，电子和空穴分别产生在两个不同的表面，催化剂固有偶极电场有效促进了光照产生的电子和空穴的空间分离，并做功帮助水分解产生氢气。基于这一机制，他们设计了一种双层氮化硼纳米体系，其两个表面分别用氢和氟修饰。
基于这一技术，可以通过高效光解水制氢在燃料电池汽车方面获得应用。原则上，通过太阳能、电能、化学能等能量形式的相互转换，这一研究中提出的原理也可以广泛用在其他新能源技术中。