科學(xué)家研究人工光合系統(tǒng)制氫
時(shí)間:2017-07-10 17:05來(lái)源:中國(guó)氫能源網(wǎng) 作者:綜合報(bào)道
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據(jù)國(guó)外網(wǎng)站報(bào)道：美國(guó)能源部（DOE）的Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(gè)中心通過(guò)促進(jìn)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(yáng)能的同時(shí)產(chǎn)生氫。
綠色植物通過(guò)光合作用將太陽(yáng)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(zhǎng)所需的糖。科學(xué)家們?yōu)榱松a(chǎn)環(huán)保可持續(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(guò)程，但模仿光合作用的關(guān)鍵在于讓特定的生物分子進(jìn)行光合作用，這是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。人工光合作用需要設(shè)計(jì)一個(gè)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(guò)程必須同步運(yùn)行，才能實(shí)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?yàn)榉磻?yīng)總是以不同的速率發(fā)生，吸收光能后帶負(fù)電荷的光激發(fā)電子可能重組或者產(chǎn)生過(guò)多熱量，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。
研究人發(fā)現(xiàn)，3個(gè)釕捕光中心和1個(gè)銠催化中心形成的4金屬系統(tǒng)在不停運(yùn)轉(zhuǎn)4小時(shí)后，每個(gè)催化劑分子只生成40個(gè)氫分子，相比之下，6個(gè)釕捕光中心和1個(gè)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(biāo)。實(shí)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(shí)銠催化劑的勢(shì)能必須足夠低。
通過(guò)循環(huán)伏安法和電化學(xué)技術(shù)檢測(cè)，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(yàn)證了納秒瞬態(tài)吸收光譜這一假設(shè)，分子被激發(fā)到強(qiáng)激光脈沖中，隨著時(shí)間的推移測(cè)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(jì)劃尋求擁有更高級(jí)的儀器合作者，以測(cè)量電荷準(zhǔn)確的分離率，明確工作機(jī)理。
下一步實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們將在光催化條件下，測(cè)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(huì)迅速接收來(lái)自試劑的電子。
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