青年论坛听后感,中国科学报

2019-11-21 10:30栏目:国际学校
TAG:

  然而,迄今为止,直接利用单一的光电化学电池来分解水的效率仍旧较低,主要受限于以下几个问题:适合带宽和能级的半导体材料但吸光不足;光吸收较好的半导体材料但导电性差;都满足要求的半导体材料但稳定性差。

      另一方面,要做好一个讲座是不容易的,有些人做的科研很好,但是不能很好的向别人讲述自己的工作,这样别人也就不知道你有多厉害,很多教授,从事多年科研教学工作,对于自己的领域能用很简单的话讲清楚,但是像今天的很多博士和博士后,不能很好的引导听众到他们的领域,这一点还是应该多多练习。

  《中国科学报》(2016年10月31日第6版)

  目前,全球能源和环境问题日趋严峻,开发利用绿色可再生能源具有普遍而深远的社会意义。科学家们一直致力于人工光合作用研究,自1972年Fujishima和 Honda后,以光电化学电池来分解水制备氢气成为近年来热门的研究方向。

      目前为止,利用太阳能制氢气的方法主要有三种:1.光伏电解水2.光电化学电解水2.光催化分解水。光电解水的材料要求较高,无法大规模生产,同时考虑到效率和稳定性,光催化解水是一个不错的途径。光催化解水分为一步制氢和z形制氢,所用材料为半导体材料,一步法制氢是要利用光敏感材料的价带和导带之间的能量差大于水的分解电压1.23eV(考虑传递效率,要达到1.8eV),之前主要用到的明星材料是TiO2,能带差为3eV,同时光子提供的能量也应该大于这个范围。所以光的波长应该小于387nm才会被吸收,此时为紫外光谱。太阳光中紫外光的含量很少(5%),因此能量转化效率很低。Z形制氢也就是两步制氢,分别用两种材料来做还原剂和氧化剂,这时候就不需要能带宽度大于1.8eV,只需要价带电位比O2/H2O更正,导带比H2/H2O更负。但是一般的两种半导体都是以粉末悬浮的方式存在于水相中,电子传导效率不够高,产生的电子和空穴易结合消散,通常会加入一定的电解质,如铁离子,碘离子,但是可能会产生副反应,他们的研究是利用钛酸锶和钒酸铋结合在一个金为基底的板上,这样电子产生后可以由金板传导到另一个半导体上,进而可以进行持续不断的光水解,同时不需要电解质,直接在纯水中电解。同时在表面由覆盖一层三氧化二铬可以将气体分离出体系,减弱逆反应发生。

  促进光生载流子的分离和传导,抑制电子—空穴的复合是提高载流子利用效率的有效手段之一。而通过纳米多孔材料的设计制备,缩短光生载流子的传输路径则可有效抑制电子—空穴的复合。

(C) 叠层电池的持续产氢电流

       主要听取了三位不同领域的博士介绍自己的工作,分别来自有机,物化,和能源材料领域,其中有机领域的内容是关于碳卡宾和碳硼炔,物化领域讲解的是一种通过多孔氧化铝来制备纳米线的新方法和在纳米电极上电解产生氢气气泡的机理研究;能源领域讲解的是利用新型光催化剂来光解水。

  图片 1

图片 2

       听了他们的讲座,感慨良多,因为现在我也很想从事科研领域,将来继续研究化学,所以他们的今天可能就是我的明天,他们中有很多是很优秀的,做的内容也很不错,但是我从他们一些人的演讲中听不到一点喜爱,好奇的感觉,同时对于他们研究的很多领域,虽然都不是很懂,但是其中有一些就让我觉得完全没有兴趣,我能想象自己如果从事这样的研究工作的话一定不能做的很好,而且会很不开心,所以要花一段时间好好考虑未来的研究领域。

  “光解水”催化剂的新方法

  6月17日,《科学》子刊Science Advances在线刊发了陈炜教授题为《基于钒酸铋纳米锥-钙钛矿的高效光解水叠层电池》的合作研究成果。其研究开发的一种新型电池,不仅提高了电池分解水制备氢气的效率,并且具有良好的稳定性。该项研究在开发利用绿色可再生能源上又迈出了重要一步。

       5月5日,化学系举办了青年论坛,通过课余时间参与青年论坛中优秀青年的讲解自己做的工作,通过这个论坛,了解到很多不同的研究方向,同时对于自己的未来可能的方向也有了一定的了解。

青年论坛听后感,中国科学报。  中国科学报:

  针对这些问题,陈炜教授,与清华大学的邱勇才博士、张跃刚教授、美国斯坦福大学的崔毅教授等合作发展了一种BiVO4纳米锥/钙钛矿串联叠层电池。首先,将光吸收和光稳定性良好的多孔Mo掺杂BiVO4薄膜,沉积于具有优良限光性质的导电修饰纳米锥基板上,从而得到较好的光吸收和电荷分离效果,然后通过与稳定性、效率俱佳的反式平面钙钛矿太阳能电池串联,实现了无外偏压辅助下的水分解制氢,光到氢的能源转换效率达到6.2%。该串联电池可以持续产氢10个小时以上,说明这种结构具有良好的稳定性。

下面简单记录一下光解水的内容:

  (编辑 赵习钧 侯若雪)

(A) 钙钛矿(PSC)与BiVO4叠层光解水电池结构示意图

  随着社会经济的快速发展,化石能源的过度消耗造成了二氧化碳的大量排放,导致了全球性的能源和环境危机。为解决这一问题,化学工程科学家们一直致力于利用太阳能和半导体光催化剂,以期通过“人工光合成”,把二氧化碳和水转化为碳氢化合物或氢气,实现碳循环和新型能源开发利用。

(B)叠层电池的光电流-电压曲线

  该课题组博士生张冀杰等利用溶剂热条件下的阴离子交换法,成功制备了具有多孔片状结构的系列铋系二元氧化物阳极半导体材料。“这些材料缩短了光生载流子从体相到达表面的传输距离,同时增大了材料的比表面积。”研究人员介绍,“利用该新型方法制备的催化剂材料光催化水氧化活性有了显著的提高。”同时,该团队博士生李盎等设计了由TiO2-In2O3薄层异质结构成的空心球结构则达到传统二氧化钛催化剂的两倍多。

  详情请点击论文链接

  本报讯(记者 甘晓)化学工程科学家们一直致力于利用太阳能和半导体光催化剂,以期通过“人工光合成”,把二氧化碳和水转化为碳氢化合物或氢气,实现碳循环和新型能源开发利用。

  同时,对于水溶液中的二氧化碳还原反应,研究人员针对水溶液中产氢副反应严重的现实问题,对电子在催化剂表面的反应路径进行了引导。“我们充分利用了一氧化二铜表面的特殊反应位点,有效抑制了质子还原副反应的发生,提升了含碳产物的选择性。”该课题组博士生常晓侠介绍。

  科学原理的创新

  在人工光合领域中,科学家已经了解,在太阳光的激发下,半导体光催化剂吸收光子产生电子—空穴对。在业内人士看来,促进电子—空穴在催化剂内部的分离和传输以及提高载流子在催化剂表面的反应速率已成为人工光合成领域的研究热点。

  另一条思路是提高光生载流子在催化就表面的反应速率。博士生常晓侠、李盎等分别利用p型四氧化三钴“产氧助催化剂”与n型光阳极构建的p-n异质结,以及含有金属铂、氧化锰的二氧化钛空心球结构,达到了提高电子和空穴分离的效率及表面产氧反应速率的双重效果。

  促进电子—空穴在催化剂内部的分离和传输以及提高载流子在催化剂表面的反应速率已成为人工光合成领域的研究热点。天津大学化工学院教授巩金龙课题组一直在努力。

  多年来,在国家自然科学基金的支持下,天津大学化工学院教授巩金龙课题组的多项创新性工作通过对催化剂的修饰和改性,提高了人工光合效率。

  基于科学原理上的创新,巩金龙课题组在光解水制氢催化剂设计制备上取得多项了进展。

  不过,科学家们观察到,电子和空穴结构非常容易发生复合而无法参与上述的两类还原反应。围绕这个科学问题,巩金龙带领课题组以太阳光激发半导体材料所生成电子和空穴的高效利用为主要思路,开始尝试设计制备催化剂体系。研究人员介绍,这些工作旨在抑制电子和空穴的复合,促进两者的分离并且顺利迁移到催化剂表面与吸附的反应物发生反应,同时提高表面反应速率,从而提高光能—化学能的转化效率。

  “我们想让激发生成的电子高效且高选择性地参与水或者二氧化碳的还原反应,而这一特殊的纳米结构对还原反应的发生有帮助。”巩金龙告诉《中国科学报》记者,“从而实现太阳能向氢能和碳氢燃料的高效转化。”

  因此,课题组研究人员围绕水分解的表面反应路径、机理开展研究。他们为水氧化生成氧气的两步串联反应设计了“双助催化剂”的体系,利用四氧化三钴和碳量子点双助催化剂协同促进水氧化过程中动力学更快的两电子路径,从而提升整体的水分解效率。

  提升二氧化碳还原效率

  巩金龙表示,多年来,在国家自然科学基金和国家重点研究计划的支持下,我们课题组在人工光合成领域取得了一定的进展。但是由于该过程的反应历程复杂,其中的很多机理仍有待进一步解析。未来的工作力争从微观、动态的角度揭示人工光合成反应的微观机理,从而进一步指导光催化剂的高效合成,实现光能向化学能的高效转换。

  巩金龙表示,除了对电子—空穴传导和分离的促进,在人工光合成反应中,载流子在催化剂表面的反应路径、机理研究同样重要,有助于催化剂的定向设计合成,进一步提升光能转化效率。

版权声明:本文由金沙网址发布于国际学校,转载请注明出处:青年论坛听后感,中国科学报