苏州大学功能纳米与软物质研究院(FUNSOM)康振辉教授与李述汤教授、Yeshayahu Lifshitz教授合作,在2015年2月27日出版的Science上发表了有关光解水催化剂的论文(Metal-Free Efficient Photocatalyst for Stable Visible Water Splitting via a Two-Electron Pathway,Science347, 970-974 (2015) ),成为该领域中的一个重要进展。
在过去的四十年里,研究人员开发了一系列光分解水的光催化剂,然而这些催化剂的太阳能到氢能的转化效率较低、稳定性也较差,阻碍了光分解水制氢的实际应用进程。此次发表的论文报道了一种新型光催化剂:碳纳米点-氮化碳(C3N4)纳米复合物。该催化剂由碳和氮两种元素组成,具有价廉、资源丰富、无污染的优点,并且稳定性较高,催化活性200天保持不变。它可以利用太阳能实现高效的完全分解水,与以往的光催化剂不同,整个光解水过程分为两个阶段:(1)氮化碳分解水生成过氧化氢和氢气;(2)碳纳米点将过氧化氢分解成水和氧气。此外,该光催化剂的太阳能到氢气的能量转换效率为2%,是目前同类催化剂的最高效率。按照美国能源署(DOE)的技术经济分析,太阳能到氢气的能量转换效率为2%的催化剂,制氢成本约为6美元/公斤,这与DOE的目标成本(4美元/公斤)比较接近。该催化剂的进一步优化和开发对于推动太阳能制氢的清洁能源策略具有重要的实践意义。
该研究工作得到了国家自然科学基金的持续资助(51422207,51132006,21471106)。
图1 碳纳米点- C3N4纳米复合物在可见光驱动下分解水的反应机理图,来源:FUNSOM
图2 光催化分解水制氢的潜在应用方案,来源:FUNSOM
(摘编自:自然科学基金委 http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab88/info47979.htm)