立方碳化硅在水中   圖片來源：Thor Balkhed/LiU

只借助陽光就從水中“取出”氫氣？瑞典林雪平大學(xué)研究人員開發(fā)出一種新材料——納米多孔立方碳化硅（3C-SiC），它可以捕獲太陽能，并將水分解以生產(chǎn)氫氣。相關(guān)論文近日刊登于《美國化學(xué)學(xué)會—納米》。

該研究負(fù)責(zé)人、林雪平大學(xué)物理、化學(xué)和生物系高級講師孫建武（音譯）說：“人們需要新的可持續(xù)能源系統(tǒng)應(yīng)對全球能源和環(huán)境挑戰(zhàn)，如二氧化碳排放增加和氣候變化。”

氫的能量密度是汽油的3倍，當(dāng)氫氣被用來產(chǎn)生能量時，唯一產(chǎn)物是純水。然而，每產(chǎn)生1噸氫氣，就會排放9~12噸二氧化碳。因此，利用太陽能分解水分子產(chǎn)生氫氣是一種可持續(xù)的方法，而且不會導(dǎo)致二氧化碳排放。這種方法的一個主要優(yōu)點是能將太陽能轉(zhuǎn)化為可儲存的燃料。

“傳統(tǒng)的太陽能電池在白天產(chǎn)生能量，但這些能量必須立即使用，或者儲存在電池中。氫是一種很有前途的能源，它可以像汽油和柴油等傳統(tǒng)燃料一樣儲存和運輸。”孫建武說。

為此，研究人員需要找到一種經(jīng)濟(jì)高效的材料，可以通過光電解將水分解成氫和氧。陽光中可以用來分解水的能量主要以紫外線和可見光的形式存在，因此，需要一種能夠有效吸收這種輻射從而產(chǎn)生電荷的材料。

該研究小組開發(fā)了3C-SiC。這種碳化硅有許多非常小的孔。研究人員稱這種材料為納米孔3C-SiC，它有很好的性能，可以利用陽光從水中產(chǎn)生氫氣。實驗顯示，這種新型多孔材料可以有效地捕捉和收集紫外線和大部分可見光。而且，多孔結(jié)構(gòu)促進(jìn)了具有所需能量電荷的分離，而小孔隙則提供了較大的活性表面積，增強(qiáng)了電荷轉(zhuǎn)移，增加了反應(yīng)位點的數(shù)量，從而進(jìn)一步提高了水分解效率。

“我們已經(jīng)證明納米多孔3C-SiC具有更高的電荷分離效率，這使得水分解氫效率比使用平面碳化硅好得多。”孫建武說。

相關(guān)論文信息：http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.1c00256