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中国在人工光合成太阳燃料研究方面取得新进展

栏目:企业新闻 · 发布日期:2018年10月31日 · 作者:中成泵业

近日,我所催化基础国家重点实验室及太阳能研究部与福州大学化学学院合作发展了一种“固态Z-机制”复合光催化剂。这种催化剂能在可见光下将水分子和二氧化碳分子高效转化为甲烷分子,实现了太阳能人工光合成燃料过程,研究论文在《美国化学会志》上发表。

人工光合成太阳燃料是指利用太阳能等可再生能源通过光催化,光电催化或电催化将水和二氧化碳转化为化学燃料的过程。

人工光合成太阳燃料过程有若干反应,利用“太阳能的光催化+二氧化碳分子+两个水分子”转化为“甲烷分子+两个氧分子”,其中涉及8个电子的多步反应,是最具挑战性的一个反应。迄今为止虽然国外有大量文献报道了这项反应,但试验的反应效果都不理想。特别是光催化产生甲烷分子的反应,大多是在有牺牲剂存在情况下取得的结果,且没有检测到释放氧气或者检测到的氧气量远低于化学计量比,所以这不是真正意义上的太阳能转化为化学能的反应。

针对这一世界性难题,我国研发出一种工作用纳米晶(3D-SiC)和二维纳米片(2D-MoS2)通过静电组装技术,构筑出一种类似万寿菊的纳米结构形状,具有二型异质结和Z-scheme半导体构型(采用两种窄带隙半导体材料,一端产O2,一端产H2。过剩的电子和空穴利用氧化还原对来中和和循环,从而实现持续地分解水。)。这种催化剂在400nm光照下,甲烷的光转化产率达到1.75%。这个研究过程中可检测到化学计量比例的氧气和甲烷摩尔比接近2,同位素实验也确认了化学计量氧的生成,这对于学术界理解和进行人工光合成具有重要借鉴意义。这个工作为人工光合成太阳燃料提供了一条新的途径。

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