隨著全球能源和環(huán)境危機(jī)日益加重，太陽能作為一種清潔和可持續(xù)利用的能源，被認(rèn)為在應(yīng)對全球能源和環(huán)境問題方面具有巨大的潛在價值。
太陽能制氫，是人類探索太陽能利用的美好愿景，近年來學(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，由于其原簡單、過程環(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、低成本、長壽命光催化材料的合成。
近日，中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所在納米棒陣列可見光催化裂解水產(chǎn)氫研究上取得重大突破。
神奇的納米棒陣列
中科蘇州醫(yī)工所研究員董文飛向記者介紹了他們的新成果——利用簡便的水熱合成方法制備了超長ZnO@TiO2核殼結(jié)構(gòu)納米棒陣列，并在納米棒表面負(fù)載納米結(jié)構(gòu)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光光電響應(yīng)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，在太陽能電池、微納能源和生物檢測系統(tǒng)等方面有良好的應(yīng)用前景。”董文飛說。
記者了解到，現(xiàn)有的很多穩(wěn)定的光電化學(xué)裂解水系統(tǒng)主要是基于TiO2、 Fe2O3和ZnO等半導(dǎo)體材料開發(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(zhuǎn)換效率。
“但是，ZnO和TiO2都是寬帶隙半導(dǎo)體材料，僅能吸收太陽光譜中的紫外光波段的能量，并且內(nèi)部激子復(fù)合速率很高，由此導(dǎo)致太陽能利用F比較低。”董文飛告訴記者。
而他們的研究價值正在于此。董文飛等科研人員發(fā)現(xiàn)可以利用CdS、CdSe和PbS等窄帶隙金屬硫化物半導(dǎo)體材料修飾單晶ZnO納米棒表面，將吸收光譜拓展至可見光波段，從而有效利用太陽光各波段光譜的能量，提高了其太陽光光催化性能。
他們同時進(jìn)行了光電化學(xué)性能表征和可見光催化裂解水產(chǎn)氫測試。實驗測試數(shù)據(jù)表明，他們制備的這種表面負(fù)載多金屬硫化物固溶體的ZnO@TiO2納米棒陣列，在可見光波段具有良好的光吸收特性，能量轉(zhuǎn)化效率較高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對環(huán)境無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(yīng)用前景良好。”董文飛說。
克服重重險阻
“如何制備超長的單晶ZnO納米棒，是研究中比較難解決的問題。”董文飛坦言，這是整個實驗工作的基礎(chǔ)。
“目前常見的太陽能光催化產(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，需要動手搭建測試平臺，才能利用商用光電測試系統(tǒng)獲得光電響應(yīng)和可見光催化產(chǎn)氫等一系列實驗數(shù)據(jù)。”董文飛說。
而所有工作中關(guān)鍵也耗費心血的就是材料的設(shè)計和制備。
“每一步都要小心謹(jǐn)慎，很可能一個疏忽，會導(dǎo)致一批樣品制備失敗，需要投入很大的耐心。”董文飛說。制備一批材料以后，還需要進(jìn)行后續(xù)的測試，不斷根據(jù)實驗結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)常會遇到兩個星期的材料制備后，實驗結(jié)果不理想，一無所獲的情況。但還是沒有灰心氣餒，堅持下來了，從初實驗設(shè)計到獲得可以接受的穩(wěn)定的實驗結(jié)果，前后大約7個月時間。
“事非經(jīng)過不知難。也正是這種不斷的思考，實踐，失敗，反思，再思考，再實踐的螺旋上升的過程，更能體現(xiàn)科研的樂趣和魅力，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。
向材料體系拓展
“利用簡易的水熱合成方法可以大批量制備，并具有穩(wěn)定的產(chǎn)氫能力。”董文飛說，同時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初步的探索和實踐。后續(xù)的工作將不拘泥于單一材料，實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(shè)計和性能調(diào)控等方面作更多的探索，目標(biāo)是使所用的材料體系便于微納結(jié)構(gòu)化制備和系統(tǒng)集成，以期在微納能源和生物檢測系統(tǒng)等方面發(fā)揮作用。
“基于這項初步的探索工作，后續(xù)我們將主要關(guān)注三個方面：一是將這項工作拓展到更有普遍意義的寬禁帶半導(dǎo)體和窄禁帶半導(dǎo)體相結(jié)合的材料，可以更好地利用太陽光全光譜的能量；二是受到這項工作的啟發(fā)，以現(xiàn)有材料良好的光催化性能為基礎(chǔ)，探索制備鈣鈦礦太陽能電池，獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率；三是將這種材料應(yīng)用于生物檢測系統(tǒng)，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)獲得了初步的實驗結(jié)果。”董文飛說。
