新型纳米催化剂可利用光分解水

small

技术总是在寻找各种方法，使能源更容易地变“绿”。前不久，来自美国纽约州的研究人员制造出了一种新型长效催化剂，能够利用太阳光的能量，经过一系列反应，最终产生氢气。氢气是一种无碳燃料。

《科学》杂志在线报道称，通过进一步研究，这种催化剂有望带来能源产业的革新——工厂能够使用阳光分解水分子，制作出燃料。这种燃料能够用于汽车和卡车，不会排放任何温室气体。

也许，利用阳光分解水，最终制出燃料的想法听上去很匪夷所思。不过，研究人员做到了。他们从阳光中“捕获”了光量子，并且使用这些能量将水分子分解成氢离子和氧离子。然后，将氢离子对与一对电子——从氧离子上剥离下来的——紧密地结合在一起，从而形成氢分子（H2）。

实际上，研究人员模仿这一反应已经很多年了，但是，他们过去使用的催化剂要么太昂贵，要么很快就失去效用。因此，科学家一直在寻找更便宜、更稳定的催化剂。

为了完成这项工作，研究人员一直在寻求两个关键要素：一个好的光吸收体和一种好的催化剂。

光吸收体用来“捕获”阳光中的光量子，然后帮助生成高能电子。之后，这些“富有活力”的电子被传送到催化剂中，将氢离子“编织”成氢气。

而其中一个最有希望成为良好光吸收体的物质是半导电的纳米粒子。不过，时至今日，当与催化剂相结合时，纳米粒子只能以一个温和的速度进行反应，这对于全面工业化生产来说，太慢了。并且，半导电的纳米粒子不能溶于水。因此，研究人员不得不将纳米晶体溶解到有机溶剂中，以防止晶体与催化剂发生相互作用。

在最近的一项研究中，美国罗切斯特大学的化学家Richard Eisenberg 和 Todd Krauss领衔的研究小组将短有机链状分子（缩写为DHLA）涂抹到硒化镉纳米粒子上。这样一来，这种DHLA链的涂层使得纳米粒子能够溶于水。并且，这些单个的链条如此之短，使得催化剂中的镍离子——也存在于溶液中——能够“舒服地”紧挨在一起，足以使纳米粒子牢牢抓住电子，以及将氢气分子“编织”在一起。

该研究小组发现，这种新催化剂不仅速度快，每小时能够“编织”大约7000个氢气分子，并且能够持续“工作”数周而不瓦解。与其他“编织”氢气的催化剂相比，这是最大的进步。研究人员将相关研究成果在线发表于《科学》杂志网站。

美国化学家、氢催化剂研究者、刚从太平洋西北国家实验室退休的Daniel DuBois称这项新研究“对该领域非常有贡献”，并且表示，这种催化剂的持久性令他记忆深刻。

虽然如此，这种新型光吸收—催化联合物在现实社会中并没有完全准备好。因为，在目前的实验中，罗切斯特大学的研究小组并没有真正分解水分子，来制造氢离子。他们添加了一些维生素C，这样使实验溶液能更容易释放出氢气。

因此，该研究小组还需要证明，使用水也能进行同样的反应。如果能够成功，他们将能够给工厂提供新的绿色技术。

small

Robust Photogeneration of H2 in Water Using Semiconductor Nanocrystals and a Nickel Catalyst

Homogeneous systems for light-driven reduction of protons to H2 typically suffer from short lifetimes because of decomposition of the light-absorbing molecule. We report a robust and highly active system for solar hydrogen generation in water that uses CdSe nanocrystals capped with dihydrolipoic acid (DHLA) as the light absorber and a soluble Ni2+-DHLA catalyst for proton reduction with ascorbic acid as an electron donor at pH 4.5, which gives >600,000 turnovers. Under appropriate conditions, the precious-metal-free system has undiminished activity for at least 360 hours under illumination at 520 nm and achieves quantum yields in water of over 36%.

http://www.sciencemag.org/conten ... cience.1227775.full