太陽能可說是自然界最豐富與唾手可得的能量來源,其中光催化劑制氫技術(shù)是太陽能應(yīng)用之一,透過催化劑讓太陽分解水、制造氫與氧,最后再將氫用于燃料電池,為備受看好的綠色制氫選項(xiàng),但實(shí)現(xiàn)該技術(shù)可不是容易的事情,由于光催化劑材料難找,該技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。
不過最近英國牛津大學(xué)在光催化劑研究有所突破,有望找出新一代綠能制氫材料。根據(jù)《Applied Physics Letters》論文,牛津大學(xué)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鹵化物雙鈣鈦礦(halide double perovskites)除了可用于太陽能電池技術(shù),也可能是個良好水分解材料。
牛津大學(xué)材料系教授 Feliciano Giustino 表示,如果能提出有效的光催化劑材料,這將是團(tuán)隊(duì)一項(xiàng)重大突破。
各國研究團(tuán)隊(duì)至今已測試多種光催化劑材料,像是磷化鎵、砷化鎵或是二氧化鈦,但成效皆不如預(yù)期。目前科學(xué)家能透過二氧化鈦來讓陽光分解水,可惜該材料無法有效吸收可見光,光轉(zhuǎn)換效率無法進(jìn)一步提高,因此還沒有任何一種光催化劑材料達(dá)到商業(yè)應(yīng)用。
為找出潛力材料,牛津大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用超級電腦計(jì)算 4 種鹵化物雙鈣鈦礦的量子能態(tài),發(fā)現(xiàn)雙鈣鈦礦 Cs2BiAgCl6 與 Cs2BiAgBr6 為光催化劑生力軍,兩種材料的可見光吸收能力都比二氧化鈦還要好,也可以產(chǎn)生電子與電洞,擁有足夠能量進(jìn)行氧化還原反應(yīng),進(jìn)而達(dá)成水分解制氫與氧。
Giustino 表示,很少有材料同時具備這些功能。雖然團(tuán)隊(duì)無法打包票說這個一定是多有效的材料,但這些化合物似乎擁有光催化劑全部特性。
意外發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦其他應(yīng)用
找到這個光催化劑材料可說是個意外,Giustino 團(tuán)隊(duì)原本是在尋找太陽能電池材料,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這類型鈣鈦礦也可用在光催化劑。
近年來科學(xué)家察覺鈣鈦礦在太陽光電的應(yīng)用潛力,其轉(zhuǎn)換效率也在 9 年間提升 6 倍,目前也有不少研究團(tuán)隊(duì)透過串疊設(shè)計(jì)將矽與鈣鈦礦結(jié)合,大大提高光電轉(zhuǎn)換效率。不過鈣鈦礦電池含有鉛元素,如果大規(guī)模用于太陽能發(fā)電廠,含鉛太陽能電池可能會危害環(huán)境,因此科學(xué)家于 2016 年開始運(yùn)用電腦模擬尋找替代材料,進(jìn)而研發(fā)出新型無鉛鈣鈦礦。
牛津團(tuán)隊(duì)研究指出,這些材料除了具有良好光電轉(zhuǎn)換潛力,也可以用在光催化劑。牛津大學(xué)材料系博士后研究員 George Volonakis 表示,新型雙鈣鈦礦不僅可用于串疊型太陽能電池,在光催化領(lǐng)域也具有非常大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
不過當(dāng)前分析只有理論基礎(chǔ),團(tuán)隊(duì)下一步是研究這些材料是否能如預(yù)測一般,在現(xiàn)實(shí)中也可以發(fā)揮效用,研究員也會同時利用電腦運(yùn)算技術(shù)來測試雙鈣鈦礦材料是否能用于光感測器等應(yīng)用。
責(zé)任編輯: 李穎