新的光催化劑可以實現更有效的制氫

氣凝膠是一種非凡的材料，曾多次創造吉尼斯世界紀錄，包括作為世界上最輕的固體。蘇黎世聯邦理工學院多功能材料實驗室的MarkusNiederberger教授研究這些特殊材料已有一段時間了。他的實驗室專門研究由晶體半導體納米粒子組成的氣凝膠。“我們是世界上唯一一家能夠以如此高的質量生產這種氣凝膠的集團，”他說。

基于納米粒子的氣凝膠的一種用途是作為光催化劑。每當需要在陽光的幫助下啟用或加速化學反應時，就會使用它們——一個例子是氫氣的生產。

光催化劑的首選材料是二氧化鈦(TiO2)，一種半導體。但TiO2有一個主要缺點：它只能吸收太陽光中的紫外線部分——只有光譜的5%左右。如果光催化要高效并在工業上有用，催化劑必須能夠利用更寬的波長范圍。

用氮摻雜拓寬光譜

這就是為什么Niederberger的博士生JunggouKwon一直在尋找一種新方法來優化由TiO2納米粒子制成的氣凝膠。她有一個絕妙的主意：如果將TiO2納米粒子氣凝膠“摻雜”(使用技術術語)氮，這樣材料中的單個氧原子就會被氮原子取代，然后氣凝膠就可以吸收更多可見的部分頻譜。摻雜過程使氣凝膠的多孔結構完好無損。關于這種方法的研究最近發表在《應用材料與界面》雜志上。

Kwon首先使用TiO2納米顆粒和少量貴金屬鈀生產氣凝膠，鈀在光催化制氫中起關鍵作用。然后她將氣凝膠放入反應器中并注入氨氣。這導致單個氮原子嵌入到TiO2納米顆粒的晶體結構中。

改性氣凝膠使反應更高效

為了測試以這種方式修飾的氣凝膠是否真的提高了所需化學反應的效率——在這種情況下，是用甲醇和水生產氫氣——權開發了一種特殊的反應器，她直接將氣凝膠整體放入其中。然后，她將水和甲醇的蒸汽引入反應器中的氣凝膠，然后用兩個LED燈照射它。氣態混合物通過氣凝膠的孔擴散，在那里它在TiO2和鈀納米粒子的表面轉化為所需的氫。

五天后，Kwon停止了實驗，但直到那時，反應穩定并在測試系統中連續進行。“這個過程可能會穩定更長時間，”Niederberger說。“特別是在工業應用方面，盡可能長時間保持穩定很重要。”研究人員也對反應的結果感到滿意。添加貴金屬鈀顯著提高了轉化效率：使用含鈀的氣凝膠產生的氫氣比不使用鈀的氣凝膠多70倍。

增加氣體流量

該實驗主要為研究人員提供可行性研究。作為一類新型光催化劑，氣凝膠提供了特殊的三維結構，并為除產氫之外的許多其他有趣的氣相反應提供了潛力。與當今常用的電解相比，光催化劑的優勢在于它們可以僅使用光而不是電來生產氫氣。

Niederberger團隊開發的氣凝膠是否會被大規模使用仍然不確定。例如，仍然存在如何加速通過氣凝膠的氣體流動的問題;此刻，極小的氣孔對氣流的阻礙太大了。“要在工業規模上運行這樣的系統，我們首先必須增加氣流并改善氣凝膠的輻照，”Niederberger說。他和他的團隊已經在研究這些問題。

氣凝膠是特殊材料。它們非常輕且多孔，并擁有巨大的表面積：一克材料的表面積可達1,200平方米。由于它們的透明度，氣凝膠具有“冷凍煙霧”的外觀。它們是優良的隔熱材料，因此用于航空航天應用，并且越來越多地用于建筑物的隔熱。然而，它們的制造仍然需要大量的能源，因此材料價格昂貴。1931年，化學家塞繆爾·奇斯特勒(SamuelKistler)用二氧化硅生產了第一個氣凝膠。