神户大学 液晶光阳极形成和光化学水分裂特性
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赤铁矿中晶的电子显微镜图像(由大约
5nm)
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阳极产生的气体
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显示电流密度和施加电压的图表
阳极是光催化剂阳极，铂电极用作阴极
电势基于可逆氢电极
氧化电位为1
23V
通过使液晶结构中的纳米粒子变小，太阳能分水能力大大增强
学分:神户大学 由神户大学分子光科学研究中心的高志立川副教授领导的一个研究小组成功开发了一种策略，利用赤铁矿光催化剂，大大增加了阳光和水产生的氢气量
氢气作为一种可能的下一代能源解决方案已经受到关注，它可以使用光催化剂从阳光和水中产生
为了实现这一点，除了寻找新的催化剂材料之外，有必要开发基础技术来优化光催化剂的潜力
这一次，立川等人
成功地生产了具有极高导电性的光阳极
这完全是通过退火赤铁矿中晶实现的，(上层结构由大约
5纳米)到透明电极衬底
赤铁矿可以吸收大范围的可见光，并且安全、稳定、廉价
利用这种光阳极，光源产生的电子和空穴迅速分离，同时大量空穴密集地聚集在粒子表面
空穴的积累提高了水氧化反应的效率；水的缓慢氧化以前一直是水分解的瓶颈
除了提高被认为是世界上性能最高的光阳极的高效率之外，这一战略还将通过大学和工业界之间的合作应用于人工光合作用和太阳能分水技术
这些结果将于4月30日发表在德国在线化学杂志Angewandte Chemie国际版上
这项工作也在内封面上
赤铁矿介晶的光电导性
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光电导原子力显微镜(*10)测量图解
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显示相应电流/电流电位曲线的图表
插图显示了测量的液晶(由微小的5纳米粒子烧结液晶产生)
学分:神户大学 要点: 通过聚集和烧结小于10纳米的高度取向的微小纳米粒子，在赤铁矿中晶中形成了大量的氧空位
氧空位的存在提高了光催化剂电极的导电性，同时赋予其显著的表面电势梯度，从而促进电子和空穴的分离
与此同时，大量的空穴向粒子表面移动，使得水的氧释放速率很高
这使得研究人员能够为赤铁矿阳极实现世界上最高的太阳能分水性能
这种策略可以应用于广泛的光催化剂，从太阳能分水开始
随着世界面临越来越多的环境和能源问题，氢气作为一种可能的下一代能源受到了关注
理想情况下，光催化剂可以用来将水和阳光转化为氢气
然而，超过10%的太阳能转换率是使这种系统在工业上被采用所必需的
利用日本在新材料发现方面的优势，建立能够释放光催化剂潜力的共同基础技术以实现这一目标至关重要
此前，立川等人
开发了“液晶技术”，包括在光催化剂中精确排列纳米粒子，以控制电子及其空穴的流动
最近，他们将该技术应用于赤铁矿(a-Fe2O3)，并成功地大幅提高了转化率
这一次，他们通过在赤铁矿中合成微小的纳米粒子亚基，将转化率提高到理论极限的42%(16%)
液晶技术: 赤铁矿中晶的太阳能分水机制
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液晶和能带结构中氧空位(Vo)的形成
小于1nm的耗尽层促进电子分裂和水氧化
CB:导带，VB:价带，e-:电子，h+:空穴
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根据电势梯度，大量空穴聚集在颗粒表面并氧化水，导致活化能(Ea)的大幅降低并提高转化率
导致光催化反应转化率下降的主要问题是光产生的电子和空穴在与表面的分子(在这种情况下是水)反应之前重新结合
Tachikawa等人
通过溶剂热合成产生了具有高度定向纳米颗粒的赤铁矿中晶超结构
他们能够通过在透明电极基底上聚集和烧结液晶来开发用于水分解的导电液晶光阳极(图1)
光催化剂的形成和性能: 液晶光阳极是通过用含钛的赤铁矿液晶涂覆透明电极基材，然后在700℃下退火来生产的
助催化剂沉积在液晶表面
当将光催化剂置于碱性溶液中并用人造阳光照射时，在光电流密度为5时发生水分解反应
5毫安时-2，外加电压为1
23V(图1)
这是赤铁矿在世界上获得的最高性能，赤铁矿是最理想的光催化剂材料之一，因为其成本低且具有光吸收特性
此外，赤铁矿中晶光阳极在100小时的重复实验中稳定运行
实现高转化率的关键是构成液晶结构的纳米粒子的尺寸
通过使纳米粒子小到5纳米并增加纳米粒子之间的连接界面，可以大大增加烧结过程中形成的氧空位的量
这提高了电子密度，并显著增加了液晶的导电性(图2)
高电子密度与靠近液晶表面的大弯曲带的形成有关
这促进了初始电荷分离，并使空穴更容易在表面上积累
由于中间晶体的微小纳米颗粒结构，这一结果得到了优化，并促进了水氧化反应，而水氧化反应一直是高效分水的瓶颈(图3)
这项研究表明，液晶技术能够显著减少复合问题，这是光催化剂效率低的主要原因，并成倍加速水分裂反应
希望这种策略也能应用于其他金属氧化物
接下来，研究人员将与工业界合作，优化赤铁矿中晶光阳极，并实施一个利用太阳光生产氢气的工业系统
同时，本研究开发的策略将应用于各种反应，包括人工光合作用
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