科学家研究人工光合系统制氢

时间:2017-07-10 17:05来源:中国氢能源网 作者:综合报道
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  据国外网站报道:美国能源部(DOE)的Brookhaven国家实验室和Virginia理工大学研究出两种新型催化剂(吸收光加速化学反应的材料),这两种分子系统均具有由钌(Ru)金属离子制成的捕光中心和由单一的铑金属离子构成的催化中心。这两个中心通过促进电子从钌中心到铑催化剂转移的结构相连,能够在吸收太阳能的同时产生氢。
 
  绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能,将大气中的二氧化碳和水转化为植物生长所需的糖。科学家们为了生产环保可持续的燃料,如氢和甲醇等,一直试图人为地复制这种能源转换过程,但模仿光合作用的关键在于让特定的生物分子进行光合作用,这是一个非常大的挑战。人工光合作用需要设计一个能够吸收光、传输和分离电荷的分子系统,并催化产生燃料的反应,所有这些复杂的过程必须同步运行,才能实现较高的能量转换效率。
 

 
  研发高效产氢分子系统非常困难,因为反应总是以不同的速率发生,吸收光能后带负电荷的光激发电子可能重组或者产生过多热量,从而导致系统不稳定。
 
  研究人发现,3个钌捕光中心和1个铑催化中心形成的4金属系统在不停运转4小时后,每个催化剂分子只生成40个氢分子,相比之下,6个钌捕光中心和1个铑催化中心形成的7金属系统的效率可以提高7倍以上,它们成分组成相似,然而效率和稳定性的差距非常大。
 
  形成电荷分离状态的能力是超分子作为良好的光催化剂的指标。实现有效的电荷分离需要微调各成分的能量,为了提高催化效率,吸收光时铑催化剂的势能必须足够低。
 

 
  通过循环伏安法和电化学技术检测,科学家发现7金属系统中Rh催化剂比其在4金属系统更缺电子,从而更容易接收电子。这一结果表明,电荷转移在7金属系统中是有利的。他们验证了纳秒瞬态吸收光谱这一假设,分子被激发到强激光脉冲中,随着时间的推移测量其激发态的衰减,由此产生的光谱显示在7金属系统中只有铑的电荷转移。研究人员计划寻求拥有更高级的仪器合作者,以测量电荷准确的分离率,明确工作机理。
 
  下一步实验中,科学家们将在光催化条件下,测量产生氢气的试剂的瞬态吸收,由激光脉冲产生的激发态会迅速接收来自试剂的电子。
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文章标签: 氢能源 氢气制备
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