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简介: 在寻求碳中和技术的过程中，利用太阳能(太阳能分解水)生产氢气已经引起了广泛关注。如果在健康和食品工业中应用的化学产品可以与氢气同时生产，这将有助于降低太阳能分解水的成本，并增加该技术的应用范围。在这项研究中，Kobe大学的副教授Tachikawa等人发现，通过修改他们之前研究的赤铁矿光催化剂的表面，他们可以安全、廉价、稳定地生产过氧化氢和氢气。过氧化氢有许多用途，包括消毒、漂白和改良土壤。
一个联合研究小组利用赤铁矿(*1)光催化剂(*2)，成功地从阳光和水中同时产生了氢气和过氧化氢(*3)。
在实现碳中和技术的道路上，利用太阳能生产无二氧化碳的氢气备受关注。如果以光催化剂作为媒介利用太阳能裂解水，能在生产氢气的同时生产用于保健和食品行业的化工产品，就有可能开发出附加值更高的太阳能裂解水利用系统。
赤铁矿中晶体(*4)能吸收大范围的可见光。在这项研究中，Tachikawa等人发现，通过制备掺杂(*5)两种不同金属离子的电极，可以安全、廉价、稳定地生产过氧化氢和氢气。
研究小组的下一个目标是实现这项技术。在继续提高已开发的光催化剂电极效率的同时，他们将尝试将电池组装成一个紧凑的模块，这将实现面向实际应用的重要一步。
该研究结果发表于《Nature Communication》。
重点
赤铁矿本身不适合生产过氧化氢。通过将不同的金属离子(锡和钛)掺杂赤铁矿并烧结，研究人员开发了一种高活性的复合氧化物助催化剂(*6)。
除氢气外，生产过氧化氢的能力将有助于降低太阳能分解水的成本，并拓展该技术的应用领域。过氧化氢有许多用途，包括消毒、漂白和改良土壤。
研究背景
随着世界面临的环境和能源问题日益严重，氢作为可能的下一代能源之一受到关注。理想情况下，光催化剂可以利用阳光和水产生氢气，但要想将这种系统应用于工业，必须达到10%的转化率。有人指出，即使实现了这种效率，氢气的成本也不会达到预期的价值。为了克服这些问题，人们强烈要求开发具有竞争力的下一代太阳能水分解系统，该系统具有高附加值，可以在生产氢的同时生产其他有用的化学物质。
在他们之前的研究中，Tachikawa等人开发了“介质晶技术”，这涉及到精确对准光催化剂中的纳米颗粒来控制电子和它们的空穴的流动。最近，他们成功地将该技术应用于赤铁矿，大大提高了光能转换效率。
到目前为止，赤铁矿还没有用于生产双氧水。在这项研究中，研究人员发现，通过用锡和钛离子的复合氧化物修饰赤铁矿表面，可以高效和选择性地产生氢和过氧化氢。
研究方法
介质晶技术: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分子(在本例中是水)反应之前进行了重新组合。Tachikawa等人通过溶剂热合成制备了带有高度定向纳米颗粒的赤铁矿中晶体的3D结构(*8)。此外，他们还能够通过在导电玻璃基板上涂覆和烧结介质晶来开发用于水分解的介质晶光电电极。
通过掺杂剂分离产生生成氢氧化物的助催化剂:通常，使用赤铁矿的光催化水裂解会导致水氧化产生氧气。将该赤铁矿掺杂锡离子(Sn2+)和钛离子(Ti4+)，然后在700℃烧结，导致锡和钛掺杂剂分离，从而形成对过氧化氢生产具有高选择性的复合氧化物(SnTiOx)助催化剂)。这种结构变化是通过在SPring-8(*9)设施使用光束BL01B1和BLO4B2进行基于同步辐射的x射线总散射测量，以及使用结合电子能量损失光谱的高分辨率电子显微镜(*10)表现的。
光催化剂的形成与性能:在人工阳光照射下，对光催化剂电极施加电压，促进水分解反应。研究人员分别考察了表征产氢效率和过氧化氢选择性的光电电流密度和Faradiac效率(*11)。结果表明，光催化剂中仅掺杂一种金属离子对氢和过氧化氢的产生均有正、负的影响。另一方面，同时掺杂Sn2+和Ti4+的赤铁矿可以高效、高选择性地同时生成氢和过氧化氢。此外，第一性原理计算(*12)表明，赤铁矿上的SnTiOx共催化剂由几纳米厚的SnO2/SnTiO3层组成。
[1] Zhujun Zhang, Takashi Tsuchimochi, Toshiaki Ina, Yoshitaka Kumabe, Shunsuke Muto, Koji Ohara, Hiroki Yamada, Seiichiro L. Ten-no, Takashi Tachikawa. Binary dopant segregation enables hematite-based heterostructures for highly efficient solar H2O2 synthesis. Nature Communications, 2022; 13 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-28944-y
