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科学家引入在二氧化钛 Nanocrystals 的紊乱创建高效的光催化剂

Published on January 31, 2011 at 12:56 AM

一点紊乱去长的路,特别是当谈到利用星期日的能源。

从美国能源部的科学家劳伦斯伯克利国家实验室 (伯克利实验室) 混杂二氧化钛 nanocrystals 表层的原子结构,创建比在使用星期日的能源的其他材料持久和高效从水提取氢的催化剂。

他们的光催化剂,加速轻主导的化学反应,是结合耐久性和破纪录的效率的第一个,做它一个竞争者用于几干净能源技术。

它可能提供一个无污染方式生产氢为使用作为在燃料电池的载能体。 燃料电池被注视作为对燃烧引擎的替代在通信工具。 分子氢,然而,在仅地球上自然存在非常低浓度。 必须从原料提取它例如天然气或水,是其中一个障碍对技术的普遍实施的一个能源消耗量大的进程。

使用阳光, “我们设法查找更好的办法生成从水的氢”,一位科学家说塞缪尔毛,导致这个研究的伯克利实验室的环境能源技术分部的。 “在此工作,我们引入在二氧化钛 nanocrystals 的紊乱,非常地改进其光吸收能力和效率在生产氢由水”。

毛是一份文件的对应的作者在被发布在线 2011年 1月 20日的此研究的在科学快速与称谓 “Photocatalysis 的增长的太阳吸收与黑色,氢化的二氧化钛 Nanocrystals”。 合著与毛的本文请是研究员伯克利实验室研究员 Xiaobo 陈,列伊刘和彼得 Yu。

毛和他的研究小组从二氧化钛 nanocrystals 开始了,是半导体材料用于作为光催化剂从这个星期日加速化学反应,例如利用能源供应电子分裂水成氧气和氢。 虽然耐久性,二氧化钛不是一非常高效的 photocatlayst。 科学家工作通过添加杂质和做其他改动增加其效率。

伯克利实验室科学家尝试了一个新的途径。 除添加杂质之外,他们设计了紊乱到二氧化钛 nanocrystals 表层的通常地理想的原子由原子晶格结构。 此紊乱通过加氢被引入。

这个结果首先紊乱设计的 nanocrystal。 一个转换是显然的: 通常空白二氧化钛 nanocrystals 启用黑色,符号设计的紊乱产生红外吸收。

科学家也推测了紊乱提高了光催化剂的性能。 要欲知,如果他们的直觉是正确的,他们在水中浸没紊乱设计的 nanocrystals 并且显示了他们在被模拟的阳光。 他们发现光催化剂吸收的 24% 的阳光被转换了成氢,比产量大约 100 次极大的一个生产率多数半导体光催化剂。

另外,它是可能地耐久的足够为真实世界的使用在 22 日测试期的他们的光催化剂没有显示降低,含义的任何迹象。

其地标效率从光催化剂的能力吸收红外线灯主要抽去,做它第一二氧化钛光催化剂吸收在此波长的光。 它也吸收可视和紫外光。 相反,多数二氧化钛光催化剂只吸收紫外光,并且包含缺陷的那些可能吸收可见光。 紫外光占少于百分之十的太阳能。

“从可以由光催化剂吸收的星期日的更多能源,更多电子可以被提供给一个化学反应,做黑色二氧化钛非常有吸引力的材料”,说毛,也是附属工程教授在加州大学伯克利分校。

小组的吸引的实验发现由理论上的物理学家彼得 Yu 和列伊刘进一步阐明,测试混杂原子栅格结构在 nanocrystal 的表面通过加氢如何更改其电子属性。 他们的计算表示紊乱,以晶体缺陷和氢的形式,使成为可能为了接踵而来的光子能激发电子,在空白间然后跳电子状态不可能存在。 一次在此空白间,电子是自由加强分裂水成氢和氧气的化学反应。

“通过引入一特定紊乱,电子状态被创建的中间缺口由减少的带隙随附于”, Yu 说,也是一位教授在加州大学伯克利分校物理系。 “这使成为可能为这个太阳光谱的红外部分被吸收并且造成 photocatalysis”。

来源: http://www.lbl.gov/

Last Update: 11. January 2012 10:44

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