基于有机半导体的光催化剂可以使利用阳光从水中更容易地产生氢

一个由阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)已经开发出了有机半导体光催化剂，可以更容易地利用阳光从水中产生氢气。

阳光是可再生能源中最丰富的来源，但它不能按时间产生恒定的能量水平，这意味着不可能按需满足能源需求。

一种有希望的选择是将太阳能储存为清洁的氢燃料，这种燃料是在光响应催化剂的存在下，通过所谓的析氢反应从水中获得的。

大多数析氢光催化剂由无机半导体组成，如二氧化钛，几乎完全吸收紫外线。然而，由于紫外线在太阳光谱中所占的比例不到5%，由此产生的光催化剂在商业用途上效率不够高。

由Iain McCulloch和研究科学家Jan Kosco领导的一个国际研究团队能够开发出基于有机半导体的光催化剂，因为他们可以调整半导体带隙——规定吸收波长范围——来吸收可见光。

在其他条件相同的情况下，光催化剂吸收的光越多，就越能有效地将太阳能转化为氢气．因此，开发在紫外-可见-红外波长范围内活跃的光催化剂以最大化光吸收是很重要的．

Jan Kosco，阿卜杜拉国王科技大学研究科学家

在受到光的照射时，半导体基光催化剂产生成对的电子和带正电的空穴，或所谓的激子，它们分离成自由电荷，因此可以移动到光催化剂表面，进一步推动氢的生成。

但是在普通的单组分有机半导体中，激子被紧密结合，从而限制了光催化效率和电荷分离。

科学家们整合了受体半导体和电子供体材料，形成了称为异质结光催化剂的纳米粒子，其完整的带隙结构鼓励激子在半导体界面解离。

这类似于有机太阳能电池中使用的体异质结．因此，我们在这些纳米粒子中产生的电荷比在由单个半导体组成的纳米粒子中产生的电荷更多，从而提高了氢气的产量．

Jan Kosco，阿卜杜拉国王科技大学研究科学家

突然间，异质结在纳米粒子中产生了极其长寿的光生电荷。

电荷通常在微秒的时间尺度上重新组合，但我们在光激发几秒钟后就在纳米粒子中观察到电荷，这对于有机半导体中光产生的电荷来说是非常长的时间．

Jan Kosco，阿卜杜拉国王科技大学研究科学家

Kosco补充道,“这对催化剂的性能至关重要，因为它给了电荷更多的时间在纳米颗粒表面参与相对缓慢的氧化还原反应e。”

目前，研究人员正在探索将这种新型光催化剂应用于水裂解z型方案的方法，在这种方案中，氧和析氢光催化剂已经耦合，从而同时驱动氧和氢的生产。此外，他们还试图开发有机半导体光催化剂，用于氧的演化。

期刊引用:

Kosco, J。等．(2022)在有机半导体异质结纳米粒子中产生长寿命电荷，用于高效光催化析氢。自然能源．doi.org/10.1038/s41560 - 022 - 00990 - 2．

来源:https://www.kaust.edu.sa/en