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科學家引入在二氧化鈦 Nanocrystals 的紊亂創建高效的光催化劑

Published on January 31, 2011 at 12:56 AM

一點紊亂去長的路,特別是當談到利用星期日的能源。

從美國能源部的科學家勞倫斯伯克利國家實驗室 (伯克利實驗室) 混雜二氧化鈦 nanocrystals 表層的原子結構,創建比在使用星期日的能源的其他材料持久和高效從水提取氫的催化劑。

他們的光催化劑,加速輕主導的化學反應,是結合耐久性和破紀錄的效率的第一个,做它一個競爭者用於幾乾淨能源技術。

它可能提供一個無汙染方式生產氫為使用作為在燃料電池的載能體。 燃料電池被注視作為對燃燒引擎的替代在通信工具。 分子氫,然而,在仅地球上自然存在非常低濃度。 必須從原料提取它例如天然氣或水,是其中一個障礙對技術的普遍實施的一個能源消耗量大的進程。

使用陽光, 「我們設法查找更好的辦法生成從水的氫」,一位科學家說塞繆爾毛,導致這個研究的伯克利實驗室的環境能源技術分部的。 「在此工作,我們引入在二氧化鈦 nanocrystals 的紊亂,非常地改進其光吸收能力和效率在生產氫由水」。

毛是一份文件的對應的作者在被發布在線 2011年 1月 20日的此研究的在科學快速與稱謂 「Photocatalysis 的增長的太陽吸收與黑色,氫化的二氧化鈦 Nanocrystals」。 合著與毛的本文请是研究員伯克利實驗室研究員 Xiaobo 陳,列伊劉和彼得 Yu。

毛和他的研究小組從二氧化鈦 nanocrystals 開始了,是半導體材料用於作為光催化劑從這個星期日加速化學反應,例如利用能源供應電子分裂水成氧氣和氫。 雖然耐久性,二氧化鈦不是一非常高效的 photocatlayst。 科學家工作通過添加雜質和做其他改動增加其效率。

伯克利實驗室科學家嘗試了一個新的途徑。 除添加雜質之外,他們設計了紊亂到二氧化鈦 nanocrystals 表層的通常地理想的原子由原子晶格結構。 此紊亂通過加氫被引入。

這個結果首先紊亂設計的 nanocrystal。 一個轉換是顯然的: 通常空白二氧化鈦 nanocrystals 啟用黑色,符號設計的紊亂產生紅外吸收。

科學家也推測了紊亂提高了光催化劑的性能。 要欲知,如果他們的直覺是正確的,他們在水中浸沒紊亂設計的 nanocrystals 并且顯示了他們在被模擬的陽光。 他們發現光催化劑吸收的 24% 的陽光被轉換了成氫,比產量大約 100 次極大的一個生產率多數半導體光催化劑。

另外,它是可能地耐久的足够為真實世界的使用在 22 日測試期的他們的光催化劑沒有顯示降低,含義的任何跡象。

其地標效率從光催化劑的能力吸收紅外線燈主要抽去,做它第一二氧化鈦光催化劑吸收在此波長的光。 它也吸收可視和紫外光。 相反,多數二氧化鈦光催化劑只吸收紫外光,并且包含缺陷的那些可能吸收可見光。 紫外光佔少於百分之十的太陽能。

「從可以由光催化劑吸收的星期日的更多能源,更多電子可以被提供給一個化學反應,做黑色二氧化鈦非常有吸引力的材料」,說毛,也是附屬工程教授在加州大學伯克利分校。

小組的吸引的實驗發現由理論上的物理學家彼得 Yu 和列伊劉進一步闡明,測試混雜原子柵格結構在 nanocrystal 的表面通過加氫如何更改其電子屬性。 他們的計算表示紊亂,以晶體缺陷和氫的形式,使成為可能為了接踵而來的光子能激發電子,在空白間然後跳電子狀態不可能存在。 一次在此空白間,電子是自由加強分裂水成氫和氧氣的化學反應。

「通過引入一种特定紊亂,電子狀態被創建的中間缺口由減少的帶隙隨附於」, Yu 說,也是一位教授在加州大學伯克利分校物理系。 「這使成為可能為這個太陽光譜的紅外部分被吸收并且造成 photocatalysis」。

來源: http://www.lbl.gov/

Last Update: 26. January 2012 14:49

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