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中科大Nature子刊: 基于石墨烯的三明治結(jié)構(gòu)-首個(gè)光解水制氫儲(chǔ)氫一體化材料體系

2017-07-11 13:20:06 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：材料人分享至：

【引言】

由于對(duì)清潔、可持續(xù)能源的迫切需求，光催化分解水(光解水)制氫引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛興趣。光解水以用之不竭的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)水分解為H2和O2，H2是一種清潔能源，燃燒生成水，不會(huì)產(chǎn)生任何污染物，被認(rèn)為是一種最“完美”的可持續(xù)能源方案。然而，H2的收集與安全儲(chǔ)存問(wèn)題卻嚴(yán)重制約著光解水制氫的實(shí)際應(yīng)用，整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展停滯不前。因此，開(kāi)發(fā)低成本的H2收集和安全儲(chǔ)存方案成為了當(dāng)前光解水領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)江俊教授(通訊作者)等人在期刊Nature Communications發(fā)表了題為“Combining photocatalytic hydrogen generation and capsule storage in graphene based sandwich structures”的研究論文，報(bào)道了首個(gè)光解水制氫儲(chǔ)氫一體化的材料體系。該團(tuán)隊(duì)利用石墨烯能夠隔絕所有氣體和液體卻可以透過(guò)質(zhì)子的特性，巧妙設(shè)計(jì)了一種二維碳氮材料與官能團(tuán)修飾的石墨烯基材料復(fù)合的三明治結(jié)構(gòu)，碳氮材料位于兩層石墨烯之間。第一性原理計(jì)算表明，該體系可以有效吸收紫外和可見(jiàn)光，產(chǎn)生激子，然后迅速分離形成高能電子和空穴，分別遷移到碳氮材料和外層石墨烯材料上。吸附在外層石墨烯材料活性位點(diǎn)上的水分子則可在光生空穴的幫助下，分解產(chǎn)生質(zhì)子，質(zhì)子在靜電吸引作用下透過(guò)石墨烯層與碳氮材料上的電子反應(yīng)產(chǎn)生H2。由于石墨烯的隔絕作用，生成的H2不能透過(guò)而被安全保留在三明治結(jié)構(gòu)中；同時(shí)O2、OH-也無(wú)法進(jìn)入復(fù)合體系中，可以抑制逆反應(yīng)發(fā)生，有望實(shí)現(xiàn)高儲(chǔ)氫率下的安全儲(chǔ)氫。該三明治結(jié)構(gòu)體系具有一定普適性，同樣可以用其他經(jīng)官能團(tuán)修飾的sp2雜化碳材料(富勒烯、碳納米管等)和光催化劑來(lái)構(gòu)筑。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 水分解與H2膠囊存儲(chǔ)示意圖

(a)石墨相碳氮化物CN、C2N、C3N4的模型；

(b)光催化(光解水)產(chǎn)氫及其膠囊化儲(chǔ)存示意圖。(1)光生電子(e-)與空穴(h+)分離；(2)空穴(h+)幫助水分解產(chǎn)生質(zhì)子(H+)；(3)質(zhì)子(H+)穿過(guò)改性石墨烯層(GO)生成H2分子；(4)H2分子被限制在三明治結(jié)構(gòu)內(nèi)部。

圖2 光生載流子在三明治結(jié)構(gòu)中的分布

根據(jù)具有一個(gè)外部載流子(光生e-或h+)的GR/GO-CN-GR/GO(石墨烯/改性石墨烯-碳氮化物-石墨烯/改性石墨烯)三明治結(jié)構(gòu)與中性單層GR/GO、g-CN的Bader電荷差異計(jì)算的電荷分布的俯視和側(cè)視示意圖。圖中黃色和藍(lán)色的氣泡分別代表等值面值為0.0005 eÅ-3時(shí)的電子電荷和空穴電荷。

圖3 外層GRF(官能團(tuán)修飾的GR)表面上的水分解和質(zhì)子生成

(a-c)GOOH、GOO和GRCo(Co摻雜的GR)片(具有一個(gè)光生h+)上的H2O分子吸附幾何及電荷分布；

(d)由GR或GRF催化的水分解反應(yīng)能壘(Eb)計(jì)算值。

圖4 H2演變及其膠囊儲(chǔ)存

(a-c)GR-C3N4-GR三明治結(jié)構(gòu)吸附一個(gè)H原子、一個(gè)H2分子及許多H2分子的示意圖。d為面間距；

(d)獲得不同儲(chǔ)H2速率所需要的能量(ΔE)；

(e)GR-C3N4-GR三明治結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)H2速率與外層石墨烯片被施加的壓力的關(guān)系。1 bar = 105 Pa(約1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)。

【小結(jié)】

本文巧妙設(shè)計(jì)了一種g-CxNy與GRF復(fù)合的三明治結(jié)構(gòu)用于光解水制氫，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的太陽(yáng)能捕獲和電荷分離、抑制逆反應(yīng)，并且達(dá)到制氫儲(chǔ)氫一體化的目的。該復(fù)合體系的構(gòu)筑為解決H2分離、收集和安全存儲(chǔ)運(yùn)輸提供了全新的思路，是有望實(shí)現(xiàn)光解水和氫能大規(guī)模應(yīng)用的有力候選材料。

文獻(xiàn)鏈接: Combining photocatalytic hydrogen generation and capsule storage in graphene based sandwich structures (Nature Communications, 2017, DOI: 10.1038/ncomms16049)

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