科學家研究人工光合系統(tǒng)制氫
時間:2017-07-10 17:05來源:中國氫能源網(wǎng) 作者:綜合報道
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據(jù)國外網(wǎng)站報道：美國能源部（DOE）的Brookhaven國家實驗室和Virginia理工大學研究出兩種新型催化劑（吸收光加速化學反應的材料），這兩種分子系統(tǒng)均具有由釕（Ru）金屬離子制成的捕光中心和由單一的銠金屬離子構(gòu)成的催化中心。這兩個中心通過促進電子從釕中心到銠催化劑轉(zhuǎn)移的結(jié)構(gòu)相連，能夠在吸收太陽能的同時產(chǎn)生氫。
綠色植物通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能，將大氣中的二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為植物生長所需的糖。科學家們?yōu)榱松a(chǎn)環(huán)保可持續(xù)的燃料，如氫和甲醇等，一直試圖人為地復制這種能源轉(zhuǎn)換過程，但模仿光合作用的關鍵在于讓特定的生物分子進行光合作用，這是一個非常大的挑戰(zhàn)。人工光合作用需要設計一個能夠吸收光、傳輸和分離電荷的分子系統(tǒng)，并催化產(chǎn)生燃料的反應，所有這些復雜的過程必須同步運行，才能實現(xiàn)較高的能量轉(zhuǎn)換效率。
研發(fā)高效產(chǎn)氫分子系統(tǒng)非常困難，因為反應總是以不同的速率發(fā)生，吸收光能后帶負電荷的光激發(fā)電子可能重組或者產(chǎn)生過多熱量，從而導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。
研究人發(fā)現(xiàn)，3個釕捕光中心和1個銠催化中心形成的4金屬系統(tǒng)在不停運轉(zhuǎn)4小時后，每個催化劑分子只生成40個氫分子，相比之下，6個釕捕光中心和1個銠催化中心形成的7金屬系統(tǒng)的效率可以提高7倍以上，它們成分組成相似，然而效率和穩(wěn)定性的差距非常大。
形成電荷分離狀態(tài)的能力是超分子作為良好的光催化劑的指標。實現(xiàn)有效的電荷分離需要微調(diào)各成分的能量，為了提高催化效率，吸收光時銠催化劑的勢能必須足夠低。
通過循環(huán)伏安法和電化學技術檢測，科學家發(fā)現(xiàn)7金屬系統(tǒng)中Rh催化劑比其在4金屬系統(tǒng)更缺電子，從而更容易接收電子。這一結(jié)果表明，電荷轉(zhuǎn)移在7金屬系統(tǒng)中是有利的。他們驗證了納秒瞬態(tài)吸收光譜這一假設，分子被激發(fā)到強激光脈沖中，隨著時間的推移測量其激發(fā)態(tài)的衰減，由此產(chǎn)生的光譜顯示在7金屬系統(tǒng)中只有銠的電荷轉(zhuǎn)移。研究人員計劃尋求擁有更高級的儀器合作者，以測量電荷準確的分離率，明確工作機理。
下一步實驗中，科學家們將在光催化條件下，測量產(chǎn)生氫氣的試劑的瞬態(tài)吸收，由激光脈沖產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)會迅速接收來自試劑的電子。
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