有望从水中制造可再生能源的新型多孔材料
一种可再生能源的潜在来源是在阳光的帮助下从水中产生的氢气。瑞典林雪平大学的研究人员开发了一种纳米多孔立方碳化硅材料，该材料具有捕捉太阳能和分解水以生产氢气的潜力。该研究已发表在ACS Nano杂志上。
“需要新的可持续能源系统来应对全球能源和环境挑战，例如二氧化碳排放增加和气候变化，”林雪平大学物理、化学和生物系高级讲师孙建武说，他领导了新的学习。
氢的能量密度是汽油的三倍。它可用于使用燃料电池发电，氢燃料汽车已经商业化。当氢气用于产生能量时，形成的唯一产物是纯水。然而，相比之下，在生产氢气时会产生二氧化碳，因为当今最常用的技术依赖于该过程的化石燃料。因此，当生产 1 吨氢气时，会排放 9-12 吨二氧化碳。
借助太阳能通过分解水分子来生产氢气是一种可持续的方法，它可以使用可再生资源提供氢气，而不会导致二氧化碳排放。这种方法的一个主要优点是可以将太阳能转化为可以储存的燃料。
“传统的太阳能电池在白天产生能量，能量必须立即使用，或者储存在例如电池中。氢是一种很有前途的能源，可以像传统燃料一样储存和运输，例如汽油和柴油，”孙建武说。
然而，利用阳光中的能量分解水以产生氢气并不是一件容易的事。为此，必须找到具有成本效益的材料，这些材料具有适合将水 (H2O) 分解为氢气 (H2) 和氧气 (O2) 通过光电解。太阳光中可用于分解水的能量主要以紫外线辐射和可见光的形式存在。因此，需要一种能够有效吸收此类辐射以产生可分离的电荷并具有足够能量将水分子分解为氢气和氧气的材料。迄今为止研究的大多数材料要么在使用可见光能量的方式上效率低下(例如二氧化钛，TiO2，仅吸收紫外光)，要么不具备将水分解为氢气所需的特性(例如，硅、Si)。
孙建武课题组对立方碳化硅、3C-SiC进行了研究。科学家们已经生产出一种立方碳化硅，它具有许多极小的孔隙。这种被他们称为纳米多孔 3C-SiC 的材料具有良好的特性，表明它可以利用阳光从水中产生氢气。目前的研究已发表在ACS Nano杂志上，研究人员在其中表明，这种新型多孔材料可以有效地捕获和收集紫外线和大部分可见光。此外，多孔结构促进了具有所需能量的电荷的分离，而小孔则提供了更大的活性表面积。这增强了电荷转移并增加了反应位点的数量，从而进一步提高了水分解效率。
“我们展示的主要结果是，纳米多孔立方碳化硅具有更高的电荷分离效率，这使得水分解为氢的效果比使用平面碳化硅时要好得多，”孙建武说。
该研究得到了瑞典研究委员会、FORMAS 和瑞典研究和高等教育国际合作基金会等方面的资金支持。
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2021-06-07
