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中科大Nature子刊: 基于石墨烯的三明治結構-首個光解水制氫儲氫一體化材料體系

2017-07-11 13:20:06 作者：本網整理來源：材料人分享至：

【引言】

由于對清潔、可持續能源的迫切需求，光催化分解水(光解水)制氫引起了學術界和工業界的廣泛興趣。光解水以用之不竭的太陽能驅動水分解為H2和O2，H2是一種清潔能源，燃燒生成水，不會產生任何污染物，被認為是一種最“完美”的可持續能源方案。然而，H2的收集與安全儲存問題卻嚴重制約著光解水制氫的實際應用，整個產業發展停滯不前。因此，開發低成本的H2收集和安全儲存方案成為了當前光解水領域研究的熱點和難點。

【成果簡介】

近日，中國科學技術大學江俊教授(通訊作者)等人在期刊Nature Communications發表了題為“Combining photocatalytic hydrogen generation and capsule storage in graphene based sandwich structures”的研究論文，報道了首個光解水制氫儲氫一體化的材料體系。該團隊利用石墨烯能夠隔絕所有氣體和液體卻可以透過質子的特性，巧妙設計了一種二維碳氮材料與官能團修飾的石墨烯基材料復合的三明治結構，碳氮材料位于兩層石墨烯之間。第一性原理計算表明，該體系可以有效吸收紫外和可見光，產生激子，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上的水分子則可在光生空穴的幫助下，分解產生質子，質子在靜電吸引作用下透過石墨烯層與碳氮材料上的電子反應產生H2。由于石墨烯的隔絕作用，生成的H2不能透過而被安全保留在三明治結構中；同時O2、OH-也無法進入復合體系中，可以抑制逆反應發生，有望實現高儲氫率下的安全儲氫。該三明治結構體系具有一定普適性，同樣可以用其他經官能團修飾的sp2雜化碳材料(富勒烯、碳納米管等)和光催化劑來構筑。

【圖文導讀】

圖1 水分解與H2膠囊存儲示意圖

(a)石墨相碳氮化物CN、C2N、C3N4的模型；

(b)光催化(光解水)產氫及其膠囊化儲存示意圖。(1)光生電子(e-)與空穴(h+)分離；(2)空穴(h+)幫助水分解產生質子(H+)；(3)質子(H+)穿過改性石墨烯層(GO)生成H2分子；(4)H2分子被限制在三明治結構內部。

圖2 光生載流子在三明治結構中的分布

根據具有一個外部載流子(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)三明治結構與中性單層GR/GO、g-CN的Bader電荷差異計算的電荷分布的俯視和側視示意圖。圖中黃色和藍色的氣泡分別代表等值面值為0.0005 eÅ-3時的電子電荷和空穴電荷。

圖3 外層GRF(官能團修飾的GR)表面上的水分解和質子生成

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

(d)由GR或GRF催化的水分解反應能壘(Eb)計算值。

圖4 H2演變及其膠囊儲存

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

(d)獲得不同儲H2速率所需要的能量(ΔE)；

(e)GR-C3N4-GR三明治結構的儲H2速率與外層石墨烯片被施加的壓力的關系。1 bar = 105 Pa(約1個標準大氣壓)。

【小結】

本文巧妙設計了一種g-CxNy與GRF復合的三明治結構用于光解水制氫，能夠實現高效的太陽能捕獲和電荷分離、抑制逆反應，并且達到制氫儲氫一體化的目的。該復合體系的構筑為解決H2分離、收集和安全存儲運輸提供了全新的思路，是有望實現光解水和氫能大規模應用的有力候選材料。

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

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責任編輯：殷鵬飛

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