通过将纳米材料暴露在阳光下产生绿色氢

法国国家科学研究所(INRS)的研究小组与斯特拉斯堡大学CNRS-大学联合研究实验室的化学，过程，能源，环境和健康研究所(ICPEES)的法国研究人员携手合作生产绿色氢的方法。这个国际团队开发了新的日光-光敏-纳米结构电极。他们的研究结果发表在2020年11月的《太阳能材料和太阳能电池》杂志上。

能量跃迁向量

经济合作与发展组织(OECD)的多个国家/地区都将氢视为脱碳工业和部门转型的关键参与者。根据INRS教授My Ali El Khakani的说法，魁北克可以在未来的能源领域中战略性地定位自己。“由于采用了高性能的纳米材料，我们可以提高水分解产生氢的效率。这种“清洁”燃料对于重型卡车和公共交通的脱碳越来越重要。例如，使用氢作为燃料的公共汽车燃料已经在欧洲的几个国家和使用。这些公共汽车排放的是水而不是温室气体。”物理学家和纳米材料专家补充说。

长期以来，通过电解将水分子分解为氧气和氢气。然而，工业电解器是非常耗能的并且需要大量投资。INRS和ICPEES的研究人员颇受自然机制的启发：光合作用。实际上，他们已经开发出经过特殊设计和结构化的电极，可以在阳光的作用下分裂水分子。这是称为光催化的过程。

纳米结构电极的设计和制造中的挑战

为了最大程度地利用太阳能，研究团队选择了一种非常丰富且化学稳定的材料：二氧化钛(TiO 2)。TiO 2是已知对紫外线敏感的半导体，它仅占太阳辐照度的5%。研究人员利用他们在该领域的专业知识，首先改变了TiO 2的原子组成，并将其光敏性扩展至可见光。他们能够生产出能够吸收多达50%的太阳光的电极。从一开始就获得巨大收益!

研究人员随后进行了电极的纳米结构化，以形成类似于蜂巢状结构的TiO 2纳米管网络。该方法将电极的有效表面积乘以100,000或更大。“纳米结构可最大程度地提高材料的表面和体积之比。例如，TiO 2纳米结构可提供高达50 m 2 / g的表面积。这就是中型平板的表面积!” 埃尔卡卡尼教授指出。

电极加工的最后一步是其“阳极修饰”。该过程包括将催化剂纳米颗粒沉积在TiO 2纳米管的否则无穷大的网络上，以提高其产氢效率。为了实现这一纳米装饰步骤，研究人员使用了激光烧蚀沉积技术，该领域的El Khakani教授在过去25年中发展了独特的专业知识。挑战不仅在于控制催化剂纳米颗粒在TiO 2纳米管基质上的尺寸，分散性和锚固性，还在于寻找昂贵的铱和铂经典催化剂的替代品。

这项研究确定了氧化钴(CoO)是有效的辅助催化剂，可分解水分子，而氧化钴在魁北克的地下地区相当容易获得。两种材料的比较表明，与裸露的纳米管相比，CoO纳米颗粒在可见光下能够使这些新的纳米装饰电极的光催化效率提高十倍。

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