法國國家科學(xué)研究所(INRS)的研究小組與斯特拉斯堡大學(xué)CNRS-大學(xué)聯(lián)合研究實驗室的化學(xué)，過程，能源，環(huán)境和健康研究所(ICPEES)的法國研究人員攜手合作生產(chǎn)綠色氫的方法。這個國際團隊開發(fā)了新的日光-光敏-納米結(jié)構(gòu)電極。他們的研究結(jié)果發(fā)表在2020年11月的《太陽能材料和太陽能電池》雜志上。

能量躍遷向量

經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)的多個國家/地區(qū)都將氫視為脫碳工業(yè)和部門轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵參與者。根據(jù)INRS教授My Ali El Khakani的說法，魁北克可以在未來的能源領(lǐng)域中戰(zhàn)略性地定位自己。“由于采用了高性能的納米材料，我們可以提高水分解產(chǎn)生氫的效率。這種“清潔”燃料對于重型卡車和公共交通的脫碳越來越重要。例如，使用氫作為燃料的公共汽車燃料已經(jīng)在歐洲的幾個國家和使用。這些公共汽車排放的是水而不是溫室氣體。”物理學(xué)家和納米材料專家補充說。

長期以來，通過電解將水分子分解為氧氣和氫氣。然而，工業(yè)電解器是非常耗能的并且需要大量投資。INRS和ICPEES的研究人員頗受自然機制的啟發(fā)：光合作用。實際上，他們已經(jīng)開發(fā)出經(jīng)過特殊設(shè)計和結(jié)構(gòu)化的電極，可以在陽光的作用下分裂水分子。這是稱為光催化的過程。

納米結(jié)構(gòu)電極的設(shè)計和制造中的挑戰(zhàn)

為了最大程度地利用太陽能，研究團隊選擇了一種非常豐富且化學(xué)穩(wěn)定的材料：二氧化鈦(TiO 2)。TiO 2是已知對紫外線敏感的半導(dǎo)體，它僅占太陽輻照度的5%。研究人員利用他們在該領(lǐng)域的專業(yè)知識，首先改變了TiO 2的原子組成，并將其光敏性擴展至可見光。他們能夠生產(chǎn)出能夠吸收多達50%的太陽光的電極。從一開始就獲得巨大收益!

研究人員隨后進行了電極的納米結(jié)構(gòu)化，以形成類似于蜂巢狀結(jié)構(gòu)的TiO 2納米管網(wǎng)絡(luò)。該方法將電極的有效表面積乘以100,000或更大。“納米結(jié)構(gòu)可最大程度地提高材料的表面和體積之比。例如，TiO 2納米結(jié)構(gòu)可提供高達50 m 2 / g的表面積。這就是中型平板的表面積!” 埃爾卡卡尼教授指出。

電極加工的最后一步是其“陽極修飾”。該過程包括將催化劑納米顆粒沉積在TiO 2納米管的否則無窮大的網(wǎng)絡(luò)上，以提高其產(chǎn)氫效率。為了實現(xiàn)這一納米裝飾步驟，研究人員使用了激光燒蝕沉積技術(shù)，該領(lǐng)域的El Khakani教授在過去25年中發(fā)展了獨特的專業(yè)知識。挑戰(zhàn)不僅在于控制催化劑納米顆粒在TiO 2納米管基質(zhì)上的尺寸，分散性和錨固性，還在于尋找昂貴的銥和鉑經(jīng)典催化劑的替代品。

這項研究確定了氧化鈷(CoO)是有效的輔助催化劑，可分解水分子，而氧化鈷在魁北克的地下地區(qū)相當(dāng)容易獲得。兩種材料的比較表明，與裸露的納米管相比，CoO納米顆粒在可見光下能夠使這些新的納米裝飾電極的光催化效率提高十倍。

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