黑色二氧化鈦制備與太陽能利用研究獲系列進展

發布時間：2014-05-16 16:21 原文鏈接：黑色二氧化鈦制備與太陽能利用研究獲系列進展

　　二氧化鈦作為重要的新能源和環境保護材料，在光催化、太陽能發電、太陽能集熱等方面被廣泛應用。然而，二氧化鈦的太陽能利用面臨巨大的挑戰，主要原因在于光吸收范圍窄、電子-空穴對的分離效率低。二氧化鈦只能吸收太陽光譜中~5%的紫外光，而無法利用可見光和近紅外光的能量；本征電導率只有~10-10 S/cm，不利于光生電子-空穴對的分離和傳輸。這些問題嚴重影響了二氧化鈦在能源與環境領域的廣泛應用，無法充分利用太陽能。

　　最近，中國科學院上海硅酸鹽研究所與北京大學化學學院開展了合作研究，黃富強、汪宙、楊重寅、林天全等科研人員原創地發展出多種新型制備方法（氫等離子法、鋁還原法、二步非金屬摻雜法），大幅提高了太陽光譜中可見光和近紅外光的吸收，效果明顯。這些最新發現的黑色二氧化鈦納米晶，不同于高溫氫氣還原的黑色氧化鈦，為一種核殼結構，核區仍為結晶的二氧化鈦，外殼為無定型的結構，其中無序的外殼是使白色二氧化鈦變成黑色的功能區域，無序的外殼包含氧空位或非金屬X摻雜（X=H、N、S、I）。該結構可導致對太陽光的吸收高達85%，遠優于文獻報道（30%）。

　　良好的太陽能寬譜吸收、化學物理穩定性，以及改善的載流子濃度和電子遷移性能，可以滿足高效太陽能的要求。其中，氮摻雜的納米黑色二氧化鈦，太陽光催化分解水，產氫率達到15 mmol h-1 g-1，處于報道最優異的可見光催化劑之列；對有機污染物的降解速率是商用納米二氧化鈦（P25）的四倍。黑色二氧化鈦納米管陣列用作光化學電池（PEC）電極，光能向氫化學能轉換效率達到1.67%，為二氧化鈦基PEC轉換效率的最優值。

　　研究成果被Chemistry Views以Titania: Black is the New White 為題做了新聞專題報道，被認為在新能源（太陽能發電、光催化制氫）和環境（污染物降解、抗菌消毒）領域的應用前景廣闊。國際公司與大學已經購買小批量樣品，用于環境保護應用。部分研究結果發表在J. Am. Chem. Soc. (2013), Adv. Funct. Mater. (2013), Energy Environ. Sci. (2013, 2014), Chem. Euro. J. (2013)等期刊，已申請發明ZL3項。