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将纳米材料暴露在阳光下的绿氢制备
举报2021-01-29 11:33:57 来源:hydrogenfuelcellinfo

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加拿大魁北克蒙特利尔和瓦雷纳斯:国立科学研究所(INRS)的研究小组与法国能源、环境与健康化学工艺研究所(ICPEES)(CNRS-斯特拉斯堡大学联合研究实验室)携手开发新的阳光光敏纳米结构电极,为绿氢的生产铺平了道路。


该国际团队研发出新的阳光光敏纳米结构电极,其研究成果发表在2020年11月份的《太阳能材料和太阳能电池》杂志上。


能源转型载体


经合组织(OECD)的多个国家和地区都将氢能视为向低碳工业部门转型的主要参与者。INRS教授My Ali El Khakani表示,魁北克可以在未来能源行业中实现战略性定位。物理学家和纳米材料专家表示“由于采用了高性能的纳米材料,我们可以提高电解水制氢的效率。这种“清洁”的燃料正在重型卡车和公共交通的脱碳进程中变得越来越重要。使用氢气作为燃料的燃料电池公交车已经在多个欧洲国家和中国开始运营,这些公共汽车排放的是水而不是温室气体。”


长期以来,人们一直在通过电解的方式将水分子分解为氢气和氧气,然而工业电解器耗能巨大且需要大额投资。INRS和ICPEES的研究人员受光合作用这一自然机制的启发,事实上他们也已经开发出了经过特殊设计的结构电极,在阳光的作用下实现水分子的分解。这一过程被称为光催化作用。


纳米结构电极设计与制造中的挑战


为了最大程度地利用太阳能,研究团队选择了一种资源丰富且化学性能稳定的材料:二氧化钛(TiO2)。二氧化钛是一种对紫外线敏感的半导体,而紫外线仅占太阳能辐射的5%。研究人员运用丰富的专业知识首先改变了二氧化钛的原子结构并扩大了其对可见光的光敏度。科学团队已经可以生产出能够吸收太阳光50%的结构电极并实现了巨大的收益。


研究人员随后对电极进行了结构的纳米化处理,形成了类似蜂巢结构的二氧化钛纳米管网络。这种方法使电极的有效表面积增加了10万倍甚至更多。El Khakani教授热情的指出“纳米结构可以实现材料表面积和体积比的最大化。例如,二氧化钛的纳米结构可以实现每克50平方米的表面积。”


电极加工的最后一步是“纳米装饰”,即在原本无限的二氧化钛纳米管网络上涂覆催化剂颗粒,以提高其制氢效率。为了实现这一纳米装饰步骤,研究人员使用了激光烧蚀沉积技术(El Khakani教授在该领域积累了25年的丰富专业经验),这一过程中的挑战不仅在于控制催化剂纳米颗粒在二氧化钛纳米管基体上的尺寸、分散度和锚固性,还在于寻找昂贵的铱和铂经典催化剂的替代品。


研究发现,魁北克地底下资源丰富的氧化钴(CoO)是水分子分解的有效助催化剂。两种材料的比较表明,与裸纳米管相比,氧化钴纳米颗粒使这些新兴纳米装饰电极在可见光下的光催化效率提高了10倍。


论文简介


题为《脉冲烧蚀沉积技术下氧化钴和氧化镍纳米颗粒在二氧化钛纳米管上进行光化学水分解的光催化作用比较研究》的论文发表于2020年11月份的《太阳能材料和太阳能电池》杂志上,论文作者为Thomas Favet, Thomas Cottineau, Valérie Keller以及My Ali El Khakani。该论文得到了加拿大自然科学与工程研究委员会 (NSERC)以及加拿大魁北克自然科学技术研究基金会(FRQNT)的支持。法国国家科研署(ANR)也为此项目提供了部分资金。


国立科学研究所(INRS)简介


国立科学研究所(INRS)是一家专门致力于研究生水平研究和培训的大学。自1969年创立以来,INRS在魁北克省经济、社会和文化发展中发挥了积极作用并在加拿大和魁北克的研究强度中排名第一。INRS由位于魁北克市、蒙特利尔、拉瓦尔和瓦雷纳斯的四个跨学科研究和培训中心组成,重点研究领域包括:水环境、能源材料电信、城市文化以及Armand-FrappierSanté生物技术。INRS现有超1400名学生、博士后以及教职员工。


 

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