「催化剂金属」中国科大设计出新型光解水制氢助催化剂

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记者近日从中国科学技术大学获悉，该校熊宇杰教授课题组设计出一类具有原子精度壳层结构的助催化剂，在降低贵金属铂助催化剂用量的同时，大幅度提高光解水制氢性能，为开发低成本、高性能光催化材料提供了新的途径。该成果于10月15日在线发表在国际重要化学期刊《德国应用化学》上，并被选为该期刊的“非常重要论文”。
太阳能被认为是21世纪最清洁的能源，而光解水制氢是一种可以直接将太阳辐射能转化为氢能的途径，是极具发展潜力的新能源技术。助催化剂可以促进太阳能产生的电荷与反应水分子的相互作用，已广泛应用于光催化领域中。贵金属铂材料早已证实是一类优异的光解水制氢助催化剂，但由于其成本高，人们一直在寻找降低铂用量的方法。
熊宇杰小组基于先前发展的电子驱动作用机制，别出心裁地设计出一类具有原子精度壳层的钯-铂核壳结构助催化剂。这种设计利用钯-铂金属间的电势差作为半导体中光生电子的“运动”驱动力，使得电子自发地依次从半导体向金属钯、铂“跑位”，最后聚集在金属铂壳层的外表面，从而驱动了金属铂表面的高效光解水制氢反应。合作者江俊教授通过理论模拟，描述了该电荷演化过程；路军岭教授课题组以一氧化碳为探针分子，在红外光谱中清晰地反映出电荷在金属铂表面的选择性聚集效应，从而证实了该作用机制。
该电子驱动作用机制针对金属铂壳层厚度提出了原子精度的高要求，为此研究人员相应发展了壳层厚度精准控制的合成方法，无需使用成本高昂的原子层沉积技术即可生长少数原子层厚度的金属壳层。
熊宇杰表示，基于该技术，光解水制氢效率与无助催化剂的半导体光催化剂相比提高了322倍，比传统纯铂助催化剂的半导体光催化剂体系提高8.2倍。同时，该设计以相对廉价的钯内核替代了金属铂，使材料成本降低了1/3以上。(杨保国 吴 兰)