如何用太陽(yáng)能分解水制備氫氣在全世界備受關(guān)注。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)熊宇杰教授課題組的一項(xiàng)研究首次揭示了硅納米線表面“光解水制氫”的機(jī)制，為其制氫性能的提高提供了新的途徑。該工作以《硅納米線光解水制氫之謎》為題，在線發(fā)表于國(guó)際重要化學(xué)期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上，入選該期刊的熱點(diǎn)論文。
在光解水制氫過(guò)程中，半導(dǎo)體催化劑扮演著非常重要的作用。半導(dǎo)體材料在接受到太陽(yáng)光以后將產(chǎn)生攜帶能量的激發(fā)態(tài)正負(fù)電荷，使得水通過(guò)還原和氧化反應(yīng)生成氫氣和氧氣?！肮琛笔堑厍蛏蟽?chǔ)量最高且在工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料，早已有報(bào)道預(yù)言可用于光解水制氫技術(shù)。
熊宇杰課題組巧妙地把納米制造技術(shù)和濕化學(xué)方法結(jié)合起來(lái)，可以高度選擇性地調(diào)控硅納米線陣列的表面化學(xué)鍵類型和數(shù)量，從而發(fā)現(xiàn)硅材料的激發(fā)態(tài)電荷平均壽命及光催化產(chǎn)氫效率與其表面化學(xué)鍵緊密相關(guān)。另一方面，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)該過(guò)程產(chǎn)生的氫氣和氧氣的比例遠(yuǎn)高于常規(guī)思維中的比例，并通過(guò)中國(guó)科大江俊教授課題組的理論模擬，揭示該過(guò)程與傳統(tǒng)的光催化氫機(jī)制有所不同。基于該系列發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)首次揭開(kāi)了硅材料“光解水制氫”機(jī)制的“神秘面紗”。
在理解作用機(jī)制之后，研究人員開(kāi)發(fā)出了一類基于常規(guī)半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)的表面化學(xué)處理方法，為調(diào)控位于硅材料表面的化學(xué)鍵狀態(tài)提供了簡(jiǎn)捷途徑，得以理性地調(diào)變其光催化制氫性能。該研究提出了新的表面工程思路，為開(kāi)發(fā)高效、自然界豐富的光催化劑鋪筑有效道路，并將拓展人們對(duì)化學(xué)轉(zhuǎn)化中電荷運(yùn)動(dòng)“微觀引擎”的控制能力，對(duì)高效催化劑的理性設(shè)計(jì)具有重要推動(dòng)作用。氫氣的獲得也將為燃料電池等帶來(lái)更廣泛的應(yīng)用。 （記者吳長(zhǎng)鋒 通訊員劉愛(ài)華）