利用赤铁矿(*1)光催化剂(*2)，一个联合研究小组成功地从阳光和水中同时产生了氢气和过氧化氢(*3)。该团队包括来自神户大学的以下成员:TACHIKAWA Takashi副教授(分子光科学研究中心)TENNO Seiichiro教授(系统信息学研究生院/科学、技术和创新研究生院)，TSUCHIMOCHI Takashi副教授(系统信息学研究生院)等。
为了使碳中和社会成为现实，CO2利用太阳能进行无氢制氢已经引起了人们的关注。如果能通过光催化剂介导的太阳能水分解与氢气同时生产应用于健康和食品行业的化学产品，那么就有可能开发出附加值更高的太阳能水分解利用系统。
赤铁矿介晶(*4)能吸收大范围的可见光。在这项研究中，副教授Tachikawa等人发现，通过用掺杂两种不同金属离子的介晶(*5)制备电极，可以安全、廉价、稳定地产生过氧化氢和氢。过氧化氢有许多用途，包括消毒、漂白和土壤改良。
该研究小组的下一个目标是实现这项技术。在继续提高已开发光催化剂电极的高效率的同时，他们将尝试将电池组装成一个紧凑的模块，作为迈向社会实现的一步。他们还计划用各种材料和反应体系开发这种介晶技术。
这是名古屋大学可持续材料和系统研究所(MUTO Shunsuke教授)和日本同步辐射研究所(JASRI)(首席研究员OHARA Koji和研究员INA Toshiaki)的联合研究项目。
研究结果在网上发表自然通讯(自然出版集团)，2022年3月23日。
要点
- 赤铁矿本身不适合产生过氧化氢。通过向赤铁矿中掺杂不同的金属离子(锡和钛)并将其烧结，研究人员开发了一种高活性的复合氧化物助催化剂(*6)。
- 除了氢气，现场生产过氧化氢的能力将有助于降低太阳能水分解的成本，并增加该技术的应用范围。过氧化氢有许多用途，包括消毒、漂白和土壤改良。
研究背景
随着世界面临越来越多的环境和能源问题，氢作为可能的下一代能源之一受到了关注。理想情况下，光催化剂可以利用阳光和水来产生氢气，但是需要达到10%的转化率，这样的系统才能被工业采用。有人指出，即使达到这种效率，氢气的成本也达不到预期值。为了克服这些问题，迫切需要开发具有竞争力的下一代太阳能水分解系统，该系统具有高附加值，可以在生产氢气的同时生产其他有用的化学物质。
在他们之前的研究中，Tachikawa等人开发了“介晶技术”，该技术涉及在光催化剂中精确校准纳米颗粒，以控制电子及其空穴的流动。最近，他们成功地将该技术应用于赤铁矿，大大提高了光能转换效率。
到目前为止，赤铁矿还没有应用于过氧化氢的生产。在这项研究中，研究人员发现，通过用锡和钛离子的复合氧化物修饰赤铁矿的表面，可以以一种高效和选择性的方式生产氢和过氧化氢。
研究方法
介晶技术:导致光催化反应转化率下降的主要问题是，光产生的电子和空穴在与分子(在这种情况下，是水)反应之前会重新结合。Tachikawa等人通过溶剂热合成的方法创建了具有高度定向纳米颗粒的赤铁矿介晶三维结构(*8)。此外，他们能够通过在导电玻璃基板上涂层和烧结介晶来开发用于水分裂的介晶光电极(图1)。
通过掺杂分离产生氧化氢的辅助催化剂的形成:通常情况下，使用赤铁矿的光催化水裂解会从水的氧化中产生氧气。在赤铁矿中掺杂锡离子(Sn2 +)和钛离子(Ti4 +)，然后在700°C下烧结，导致锡和钛掺杂的偏析，导致形成复合氧化物(SnTiOx这种结构变化是通过在SPring-8(*9)设施中使用BL01B1和BLO4B2波束进行基于同步加速器的x射线全散射测量，以及使用结合电子能量损失能谱(*10)的高分辨率电子显微镜揭示的。
光催化剂的形成和性能:在人工阳光照射下，对光催化剂电极施加电压，促进水分裂反应(图2a)。研究人员分别考察了表征制氢效率和过氧化氢选择性的光电电流密度和法拉第亚克效率(*11)。结果表明，光催化剂中仅掺杂一种金属离子对氢和过氧化氢的产生有正、负影响。另一方面，赤铁矿中掺有两种Sn2 +和钛4 +能同时高效、高选择性地产生氢和过氧化氢。此外，第一性原理计算(*12)表明SnTiOx赤铁矿上的助催化剂由SnO组成2/ SnTiO3.几纳米厚度的层(图2b)。
进一步发展
通过对用作光催化剂的赤铁矿表面进行改性，课题组成功地以高效率和选择性的方式生产出了此前从未以这种方式生产过的过氧化氢。下一步，研究人员计划进一步优化光催化电极，并与工业界合作开发一个利用阳光生产氢和过氧化氢的现场系统。他们还计划将其应用到其他金属氧化物和反应体系中。
来源:https://www.kobe-u.ac.jp/en/index.html