Credit:耶鲁大学工程与应用科学学院利用水中的粒子进行光催化是一种很有前途的利用阳光产生燃料的技术。然而，廉价大量生产这些太阳能燃料的一个主要障碍是，它需要高效但易腐蚀的半导体。化学与环境工程助理教授舒虎的实验室在克服这一挑战的突破中，找到了一种具有同类首创涂层的解决方案。研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。
分水系统——将水分解为氢和氧——需要具有窄带隙的半导体材料(这种特性允许吸收更多的阳光)，从而有效地将太阳能转化为化学能。虽然这些材料很容易捕获阳光，但它们都在光照下通过自还原或自氧化而腐蚀。这是研究人员花了半个多世纪试图解决的挑战。保护这些材料的策略往往会限制它们分离负电子和正空穴电荷的能力，这一过程对光催化至关重要，但比太阳能电池等其他系统更难实现。通常，设计用来保护这些系统的层只保护系统的两个电极中的一个，即阴极或阳极，限制它允许电子或空穴的传输，但不能同时保护两个电极。
“但是，要使这种新型光催化剂用于两个反应的协同进化，我们知道我们需要使光吸收材料(称为光吸收剂)内产生的两个电荷通过涂层传输，到达位于表面的还原和氧化反应位点——在这些位点上，电子要么被添加，要么被移除，”胡博士说。
该研究的第一作者赵天硕说，创造一种能够兼顾两种反应的涂层将是一大进步。这样做成功将“把太阳能转化为氢气的效率提高一个数量级。”
“我们已经为这些窄带隙半导体开发了一种非常有效的保护策略，在光反应过程中稳定它们，这比传统的保护设计要求更多，”胡实验室的博士后助理赵博士说。
研究人员创造了一种3纳米厚的涂层。该涂层由胡实验室的氧化钛制成，共形地包裹着光吸收剂。负载在涂层上的是作为助催化剂的金属纳米粒子。该结构允许光催化剂在助催化剂位置和裸涂层表面同时进行不同的反应。该系统设计用于大规模升级，使用窄带隙半导体时，其能量转换效率达到创纪录的1.7%，同时保持稳定超过150小时，与其他类似材料的系统相比，这一时间要长得多。
“涂层和助催化剂的结合使得电子和空穴可以通过设计以最小的复合分开传输通过涂层，”胡说。“这使得这种基于粒子的太阳能燃料发电机能够工作。”
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