我校材料科學與工程學院楊國偉教授研究組在10月2日出版的Nature子刊 Nature Communications上報道了他們在納米能源材料研究中取得的重要突破。
太陽光催化分解水制氫是一項直接將低密度太陽能轉(zhuǎn)化為高密度化學能的新型能源-環(huán)境技術(shù)，是未來氫經(jīng)濟社會重要的技術(shù)基礎之一。自從1972年日本科學家Fujishima和Honda應用二氧化鈦（TiO2）晶體作為光催化劑首次實現(xiàn)光催化分解水制氫以來，人們對光催化劑的研發(fā)主要集中于晶態(tài)材料上，而非晶態(tài)材料由于其無序結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的帶尾態(tài)不利于電荷的傳輸，則被認為不適合用于作為光催化分解水制氫的光催化劑或沒有光催化活性。然而，楊國偉研究組此前已經(jīng)指出了非晶態(tài)材料由于具有豐富的活性位點在電化學領域有著重要的應用。例如，他們已經(jīng)證實了非晶態(tài)材料作為超級電容器電極材料，其綜合電化學性能可與晶態(tài)材料相媲美（Nature Communications 4 (2013) 1894），這不僅糾正以往關(guān)于非晶態(tài)材料在電化學應用中的不正確看法，而且打開了非晶納米材料通往新能源器件應用之門?？紤]到光催化分解水制氫實際上也是一個電化學過程，所以，他們在理論上認為，非晶態(tài)材料有望實現(xiàn)高效的光催化分解水制氫。
二維非晶光催化劑的工作原理即“二維限制效應”
近日，我校材料科學與工程學院楊國偉教授研究組在非晶光催化劑研究方面取得重要突破，他們在國際上第一次提出并實驗證實了通過“二維限制效應(two-dimensional confinement, 2DC)”能夠使無催化活性的非晶態(tài)材料轉(zhuǎn)變成為高性能的光催化分解水制氫材料即二維非晶光催化劑。他們采用自己發(fā)展的“金屬氧化物納米晶LAL（laser ablation in liquids, LAL）非晶化”技術(shù)，在純水中將Ni納米晶轉(zhuǎn)化為二維非晶NiO納米片，并且證實了其在不添加任何貴金屬助催化劑的情況下可以實現(xiàn)高效光催化分解水制氫。進一步，基于大量的實驗數(shù)據(jù)和理論分析，他們提出了二維非晶光催化劑的工作原理即“二維限制效應”。二維非晶結(jié)構(gòu)中的“長程無序和短程有序”和二維效應引入電子摻雜，對NiO本征的空穴摻雜起到了有效的補償，克服了晶態(tài)NiO空穴高度局域的問題。同時二維結(jié)構(gòu)縮短了電荷遷移的路徑，使得非晶NiO納米片中產(chǎn)生的電荷能夠有效到達表面。同時，二維非晶材料豐富的配位缺陷和二維結(jié)構(gòu)增大的比表面積，為后續(xù)的氧化還原反應提供了大量的活性位點，賦予二維非晶NiO高效的光催化制氫活性和良好的穩(wěn)定性。顯然，這一研究不僅開拓了非晶態(tài)材料作為高效廉價光催化劑應用于太陽光催化分解水制氫之路，而且極大地拓展了光催化材料家族。
“天線—反應器一體化”光催化工作原理
在此基礎上，他們在LAL非晶化中添加甲醇，實現(xiàn)了二維非晶NiO納米片的氫摻雜，進一步增強了電子摻雜濃度，制備出具有表面等離激元效應的二維非晶NiO納米片，并且等離激元共振峰位和強度可以由甲醇的濃度進行調(diào)控。實際上，引入等離激元效應的二維非晶NiO納米片是一種“天線—反應器一體化”的光催化劑結(jié)構(gòu)（an incorporate antenna-reactor plasmonic structure），能夠?qū)崿F(xiàn)雙通道光催化即紫外光激發(fā)下的帶間躍遷和可見光激發(fā)下的等離激元天線作用,極大地提高了二維非晶NiO光催化的效率，其光催化分解水制氫性能提高了將近20倍。
該研究成果以題目為“Two-dimensional amorphous NiO as a plasmonic photocatalyst for solar H2 evolution”的論文發(fā)表于Nature (自然)子刊Nature Communications (自然通訊)（Nature Communications 9 (2018) 4036）。該研究是楊國偉教授研究組在中山大學獨立完成，第一作者是林昭勇博士生, 通訊作者是楊國偉教授,得到了國家重大科學研究計劃和光電材料與技術(shù)國家重點實驗室的大力支持。
