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光催化材料新突破:鈧摻雜讓制氫效率飆升15倍

   時間:2025-04-09 09:00 來源:ITBEAR作者:馮璃月

在探索清潔能源的道路上,一項關于光催化水分解制氫的研究近日取得了令人矚目的新突破。這項研究對于推動能源結構的轉型,減少對化石燃料的依賴,以及緩解環(huán)境壓力具有深遠的意義。

據(jù)悉,中國科學院的一支科研團隊通過創(chuàng)新手段,成功設計出一種新型催化材料,該材料在光催化水分解制氫方面展現(xiàn)出了前所未有的高效性能。這一成果的核心在于,團隊巧妙地在二氧化鈦中引入了稀土元素鈧,從而創(chuàng)造出一種具有獨特定向光生電荷傳輸通道的材料。

在太陽能制氫的兩大主流方法中,即太陽能發(fā)電后電解水制氫和直接光解水制氫,二氧化鈦一直被視為光催化材料的佼佼者。然而,其自身存在的缺陷,如電子和空穴的復合反應以及高溫制備過程中產(chǎn)生的原子級缺陷,一直限制著其制氫效率的提升。針對這些挑戰(zhàn),研究團隊采取了“元素替代”與“結構優(yōu)化”的雙重策略。

他們精心選擇了稀土元素鈧,因其離子半徑與鈦相近,能夠順利替代鈦的位置,并通過其價態(tài)中和氧空位帶來的電荷失衡,進而重構晶體的原子排布。實驗結果顯示,當在二氧化鈦中引入5%的鈧原子后,成功制備出了具有特定晶面組成的金紅石相二氧化鈦。這種新材料內(nèi)部形成了類似“電荷高速公路”的結構,并伴隨著強電場的產(chǎn)生,極大地提升了光生電荷的分離效率。

經(jīng)過嚴格的測試驗證,這種經(jīng)過改造的半導體光催化材料在性能上實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。其光生電荷分離效率相較于傳統(tǒng)材料提高了200余倍,量子利用率更是突破了30%的大關,產(chǎn)氫效率也實現(xiàn)了15倍的增長。這一系列的數(shù)據(jù)不僅彰顯了新材料在光催化水分解制氫方面的巨大潛力,也為后續(xù)的研究和應用奠定了堅實的基礎。

 
 
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