科技日報記者 陸成寬

利用太陽能高效分解水制氫迎來新進展。記者從中國科學(xué)院金屬研究所獲悉，該所科研人員通過給一種名為聚三嗪酰亞胺（PTI）的聚合物半導(dǎo)體材料“補鈣”，成功優(yōu)化了其生長過程，使其內(nèi)部的光生電荷更容易分開，并且各行其道，大幅提升了光解水制氫效率。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然-通訊》雜志。

PTI是一種以碳、氮為主要成分的聚合物半導(dǎo)體材料，具有成本低、環(huán)境友好、結(jié)構(gòu)適合光催化等優(yōu)點，在實現(xiàn)低成本、規(guī)?；柲苤茪浞矫婢哂袕V闊前景。然而，它的實際效率一直不高，主要是因為其在光照下產(chǎn)生的正負電荷，也就是電子和空穴，很容易被“綁定”在一起形成“激子”，并最終重新“擁抱”在一起而消失，無法有效參與制氫和制氧反應(yīng)。

“這就像在一個小房間里同時洗衣和晾衣，兩件事互相干擾，效果自然不佳。問題的根源在于PTI材料本身的結(jié)構(gòu)缺乏內(nèi)在驅(qū)動力，難以將這對被‘綁定’的電荷分開。”論文通訊作者、中國科學(xué)院金屬研究所研究員劉崗解釋。

在這項研究中，科研人員提出了一種叫作“晶格工程”的策略，調(diào)整了PTI的生長“配方”，將原有的氯化鋰/氯化鉀混合熔鹽，更換為氯化鋰/氯化鈣混合熔鹽，使PTI在生長過程中引入鈣元素，最終制備出 一種鈣摻雜PTI六棱納米盤。這就是所謂的“補鈣”過程。

實驗結(jié)果顯示，“補鈣”后新材料中電子與空穴之間的束縛力顯著降低，其結(jié)合能從原來的48.2 meV（毫電子伏特）大幅降至15.4 meV?！斑@個值已低于室溫下的熱擾動能，意味著激子可以自動‘解散’，形成自由移動的電荷。我們利用超快光譜技術(shù)，直觀地捕捉到了這一快速解離過程。”劉崗說。

值得一提的是，解離后的電子和空穴能夠沿著不同路徑移動，如同行駛在規(guī)劃好的“單行道”上，實現(xiàn)了制氫與制氧反應(yīng)在空間上的分離，有效避免了互相干擾和副反應(yīng)。

“得益于這一改進，新材料在光解純水制氫中的初始活性比原來提高了3.4倍?！眲徴f，這項研究不僅為PTI材料的優(yōu)化提供了新路徑，也為其他聚合物半導(dǎo)體在光能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用打開了新思路。