新型高效光催化剂研究

　　苏州大学功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）康振辉教授课题组于2015年2月27日在国际顶级学术期刊《Science》杂志上发表了题为“Metal-Free Efficient Photocatalyst for Stable Visible Water Splitting via a Two-Electron Pathway”的论文，介绍了课题组在高效光催化分解水研究中取得的成果。该研究工作入选了科技部发布的“2015年度中国科学十大进展”。  

　　利用太阳能完全分解水同时制氢气和氧气是发展清洁、绿色能源的关键技术之一。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。然而这些光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。  

　　康振辉教授课题组此次发表的论文（与李述汤院士、以色列理工学院的Yeshayahu  Lifshitz教授合作）中报道了一种新型光催化剂：碳纳米点-氮化碳纳米复合物。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（如图1所示）：（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。该研究组利用北京同步辐射装置4B7B-软X射线实验站的X射线吸收谱学实验方法对这种新型光催化剂的电子结构进行了研究（如图2所示），通过对氮化碳和碳纳米点-氮化碳纳米复合物中C和N两种元素的X射线吸收谱对比，表明了碳纳米点与氮化碳（C3N4）之间的相互作用，为解释这种纳米复合物催化剂的机理提供了有力支持。 

　　该光催化剂的太阳能到氢气的能量转换效率是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（例如图3）具有重要的实践意义。 

　　图1  碳纳米点-氮化碳纳米复合物在可见光驱动下分解水的反应机理图  

　　图2 同步辐射软X射线吸收谱研究碳纳米点-氮化碳纳米复合物电子结构 

图3  光催化分解水制氢的潜在应用方案