科學(xué)家研究人工光合系統(tǒng)制氫

時間:2017-07-10 17:05來源:中國氫能源網(wǎng) 作者:綜合報道
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  據(jù)國外網(wǎng)站報道:美國能源部(DOE)的Brookhaven國家實驗室和Virginia理工大學(xué)研究出兩種新型催化劑(吸收光加速化學(xué)反應(yīng)的材料),這兩種分子系統(tǒng)均具有由釕(Ru)金屬離子制成的捕光中心和由單一的銠金屬離子構(gòu)成的催化中心。這兩個中心通過促進電子從釕中心到銠催化劑轉(zhuǎn)移的結(jié)構(gòu)相連,能夠在吸收太陽能的同時產(chǎn)生氫。
 
  綠色植物通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,將大氣中的二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為植物生長所需的糖。科學(xué)家們?yōu)榱松a(chǎn)環(huán)?沙掷m(xù)的燃料,如氫和甲醇等,一直試圖人為地復(fù)制這種能源轉(zhuǎn)換過程,但模仿光合作用的關(guān)鍵在于讓特定的生物分子進行光合作用,這是一個非常大的挑戰(zhàn)。人工光合作用需要設(shè)計一個能夠吸收光、傳輸和分離電荷的分子系統(tǒng),并催化產(chǎn)生燃料的反應(yīng),所有這些復(fù)雜的過程必須同步運行,才能實現(xiàn)較高的能量轉(zhuǎn)換效率。
 

 
  研發(fā)高效產(chǎn)氫分子系統(tǒng)非常困難,因為反應(yīng)總是以不同的速率發(fā)生,吸收光能后帶負電荷的光激發(fā)電子可能重組或者產(chǎn)生過多熱量,從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。
 
  研究人發(fā)現(xiàn),3個釕捕光中心和1個銠催化中心形成的4金屬系統(tǒng)在不停運轉(zhuǎn)4小時后,每個催化劑分子只生成40個氫分子,相比之下,6個釕捕光中心和1個銠催化中心形成的7金屬系統(tǒng)的效率可以提高7倍以上,它們成分組成相似,然而效率和穩(wěn)定性的差距非常大。
 
  形成電荷分離狀態(tài)的能力是超分子作為良好的光催化劑的指標。實現(xiàn)有效的電荷分離需要微調(diào)各成分的能量,為了提高催化效率,吸收光時銠催化劑的勢能必須足夠低。
 

 
  通過循環(huán)伏安法和電化學(xué)技術(shù)檢測,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)7金屬系統(tǒng)中Rh催化劑比其在4金屬系統(tǒng)更缺電子,從而更容易接收電子。這一結(jié)果表明,電荷轉(zhuǎn)移在7金屬系統(tǒng)中是有利的。他們驗證了納秒瞬態(tài)吸收光譜這一假設(shè),分子被激發(fā)到強激光脈沖中,隨著時間的推移測量其激發(fā)態(tài)的衰減,由此產(chǎn)生的光譜顯示在7金屬系統(tǒng)中只有銠的電荷轉(zhuǎn)移。研究人員計劃尋求擁有更高級的儀器合作者,以測量電荷準確的分離率,明確工作機理。
 
  下一步實驗中,科學(xué)家們將在光催化條件下,測量產(chǎn)生氫氣的試劑的瞬態(tài)吸收,由激光脈沖產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)會迅速接收來自試劑的電子。
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文章標簽: 氫能源 氫氣制備
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