新材料從水中提取可再生能源

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 立方碳化硅在水中   圖片來源：Thor Balkhed/LiU

只借助陽光就從水中“取出”氫氣？瑞典林雪平大學研究人員開發出一種新材料——納米多孔立方碳化硅（3C-SiC），它可以捕獲太陽能，并將水分解以生產氫氣。相關論文近日刊登于《美國化學學會—納米》。

該研究負責人、林雪平大學物理、化學和生物系高級講師孫建武（音譯）說：“人們需要新的可持續能源系統應對全球能源和環境挑戰，如二氧化碳排放增加和氣候變化。”

氫的能量密度是汽油的3倍，當氫氣被用來產生能量時，唯一產物是純水。然而，每產生1噸氫氣，就會排放9~12噸二氧化碳。因此，利用太陽能分解水分子產生氫氣是一種可持續的方法，而且不會導致二氧化碳排放。這種方法的一個主要優點是能將太陽能轉化為可儲存的燃料。

“傳統的太陽能電池在白天產生能量，但這些能量必須立即使用，或者儲存在電池中。氫是一種很有前途的能源，它可以像汽油和柴油等傳統燃料一樣儲存和運輸。”孫建武說。

為此，研究人員需要找到一種經濟高效的材料，可以通過光電解將水分解成氫和氧。陽光中可以用來分解水的能量主要以紫外線和可見光的形式存在，因此，需要一種能夠有效吸收這種輻射從而產生電荷的材料。

該研究小組開發了3C-SiC。這種碳化硅有許多非常小的孔。研究人員稱這種材料為納米孔3C-SiC，它有很好的性能，可以利用陽光從水中產生氫氣。實驗顯示，這種新型多孔材料可以有效地捕捉和收集紫外線和大部分可見光。而且，多孔結構促進了具有所需能量電荷的分離，而小孔隙則提供了較大的活性表面積，增強了電荷轉移，增加了反應位點的數量，從而進一步提高了水分解效率。

“我們已經證明納米多孔3C-SiC具有更高的電荷分離效率，這使得水分解氫效率比使用平面碳化硅好得多。”孫建武說。

相關論文信息：http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.1c00256