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應用科學:黑比白好?加一點無序結構產生更高效率的奈米二氧化鈦光觸媒

美國能源部勞倫斯柏克萊國家實驗室(Berkeley Lab)的科學家,將二氧化鈦奈米晶體表面的規則原子結構無序化,製造出比以往更穩定、效率更高的光觸媒,利用太陽能從水中得到氫氣。

自從日本化學家Fujishima與Honda在1972年發現,可利用二氧化鈦將光能轉為電化學能來進行光解水反應(利用光將水分子分解成氫和氧)[1],光觸媒研究一直是很熱門的題目。由於二氧化鈦的能隙較大,只能吸收波長小於或等於紫外光的光能,而太陽光譜中這部分的光線大多被地球大氧層所吸收,僅少部分可到達地球表面。為了提高二氧化鈦光觸媒在太陽光下的效率,許多人致力於研究如何縮小其能隙,使二氧化鈦能吸收太陽光譜中最能穿透大氣層的可見光及近紅外光波段。目前較有效的方法是在二氧化鈦中摻雜少量的氮原子[2, 3],可將其吸收範圍延伸至可見光區。

一般而言,二氧化鈦的粉末是白色的(因此常添加於油漆、顏料、化妝品中)。勞倫斯柏克萊國家實驗室的科學家Samuel Mao表示,他們在正常的白色二氧化鈦奈米粉末製備完成之後,放入約20個大氧壓的高壓氫氣中進行氫化反應(hydrogenation)[4],使粉末表面規則排列的鍵結變成無序(disorder),最後得到黑色的二氧化鈦奈米粉末。此黑色粉末的吸收光譜不但延伸至可見光,甚至擴展至近紅外光區。

這些黑色的二氧化鈦奈米粉末,在常見的光觸媒反應中表現得比白色(未氫化)的粉末要更好,例如亞甲基藍(methylene blue)和酚(phenol)的分解,且經過多次反覆實驗也不會降低效率。Mao表示,在擬太陽光下,被黑色的二氧化鈦奈米粉末所吸收的光能,有24%被轉化進而產生氫氣,產出率是之前大部分半導體光觸媒的100倍。此外,經過22天連續照光測試下,黑色二氧化鈦粉末也沒有效率減低的跡象,顯示極佳的穩定性,對未來實際應用有很大的幫助。在沒有使用的情況下,這些黑色粉末放置超過1年也不會變色。

加州大學柏克萊分校物理系的理論物理學家Peter Yu和Lei Liu的計算結果顯示,正常的二氧化鈦晶格中若加入雜質或缺陷(包括氫),並不能在原來的能隙中產生中間能態;然而在無序的二氧化鈦晶格中,若加入氫與氧和氫與鈦的鍵結,確實能有效地產生中間能態。雖然從計算結果看來,氫的1s電子軌域並不參與形成中間能態,但它在穩定此無序結構中有一定的重要性[4]。

原始論文
[1] A. Fujishima, K. Honda, Nature 238 (1972) 37.
[2] R. Asahi, T. Morikawa, T. Ohwaki, K. Aoki, Y. Taga, Science 293/5528 (2001) 269.
[3] X. Chen, S.S. Mao, Chemical Reviews 107 (2007) 2891.
[4] X. Chen, L. Liu, P.Y. Yu, S.S. Mao, Science 331/6018 (2011) 746.

參考來源:
ScienceDaily: Cheap, Clean Ways to Produce Hydrogen for Use in Fuel Cells?

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