研究人员开发新型光敏纳米结构电极 提高制氢效率

据外媒报道，加拿大国立科学研究院（Institut national de la recherche scientifique，INRS）与法国能源、环境与健康化学过程所(ICPEES)的研究人员合作开发出新型日光-光敏-纳米结构电极，为绿色制氢铺平了道路。ICPEES是法国国家科学研究中心(CNRS)与斯特拉斯堡大学的联合研究实验室。

（图片来源：INRS）

INRS教授My Ali El Khakani表示：“受益于高性能纳米材料，我们可以提高水分解制氢的效率。对于重型卡车运输和公共交通脱碳来说，这种‘清洁’燃料正变得越来越重要。”

长期以来，一直通过电解将水分子分解成氧气和氢气，然而工业电解槽能耗很大，并且需要大量投资。该团队研究人员受到光合作用的启发，开发出具有特殊设计和结构的电极，可以在太阳光下分解水分子。这一过程被称为光催化（photocatalysis）。

为了充分利用太阳能，研究团队选择了一种非常丰富和具有化学稳定性的材料——二氧化钛(TiO2)。这是一种半导体，以对紫外光敏感而闻名。研究人员首先改变TiO2的原子构成，并将其感光范围扩展至可见光区，所制造出的电极对太阳光线的吸收率能够达到50%。

然后，研究人员对电极进行纳米化，使其形成类似于蜂巢状结构的TiO2纳米管网络。这种方法使电极的有效表面积增加了10万倍或更多。El Khakani教授表示：“纳米结构最大限度地提高了材料的表面积和体积比。例如，TiO2纳米结构的表面积可以达到每克50 m2。”

制作电极的最后一步是“纳米装饰”（nanodecoration），包括利用激光烧蚀沉积技术，在TiO2纳米管的无限网络上沉积催化剂纳米颗粒，以提高制氢效率。在这一过程中，研究人员不仅需要控制催化剂纳米颗粒在TiO2纳米管基质上的尺寸、分布和锚固性，还需要寻找替代品，以代替昂贵的铱和铂催化剂。

这项研究确定氧化钴(CoO)为分解水分子的有效辅助催化剂，这是一种比较常见的材料。通过对比可以看出，与裸纳米管相比，使用CoO纳米颗粒，可以使新纳米修饰电极在可见光下的光催化效率提高10倍。