mile米乐集团 可见光将水分解成氢气和氧气

　米乐m6官方网站[所长吉川博之]（以下简称“AIST”）所长荒川弘典和光反应控制研究中心兼职人员邹志刚发现了一种氧化物，可以利用可见光（占太阳光的一半）将水分解成氢气和氧气，从而生产清洁燃料半导体光触媒开发的光催化剂是掺杂Ni的InTaO₄基化合物，该化合物的结构分析是与国立材料科学研究所首席研究员Jinka Yo合作进行的。利用取之不尽用之不竭的阳光和水生产氢燃料这一清洁能源是人类梦想的技术之一，而最近利用占太阳光一半的可见光成功分解水，可以说是建立未来氢燃料生产技术的重大突破。这项研究结果发表在12月6日的自然科学杂志《自然》上。

○ 迄今为止，开发能够在可见光照射下将水分解为氢气和氧气的光催化剂一直很困难。
　自20世纪70年代初石油危机以来，世界各国一直在持续进行利用光催化剂直接分解水的研究，但利用可见光光催化分解水的难度极大，尚未取得成功。

○ AIST一直在探索、研究和开发各种氧化物半导体光催化剂以实现该技术。
　在光反应控制研究中心，我们一直在进行能带结构控制技术的研究和开发，以及寻找具有最佳能带结构的材料，重点是在水中稳定的氧化物半导体。

○ 成功开发Ni掺杂InTaO4基氧化物半导体光催化剂。
　经过探索和研发，我们发现Ni掺杂的InTaO4氧化物半导体（钽酸铟）可以作为可见光响应型水分解催化剂。
　目前，这种光催化剂的产氢效率还不足以用于生产氢燃料，因此我们计划在未来继续研发，以提高效率。

　自20世纪70年代初能源危机以来，世界范围内积极开展太阳能转换研究。特别是，使用粉末光催化剂通过阳光直接分解水来生产氢燃料（可储存的清洁能源）的方法是一种廉价且简单的方法，并且已被积极研究和开发。自从1980年发现利用二氧化钛、钛酸锶等粉末状光触媒在紫外线照射下可以完全分解水以来，世界范围内都开展了完全分解水的光触媒研究，但利用可见光分解水却极其困难，尚未取得成功。因此，全球范围内的研究开发速度有所放缓，但产业技术研究院从原产业技术厅材料科学研究所（以下简称材料科学研究所）时代起，就从开发新清洁能源技术的角度出发，持续研究这一重要的研究课题。此外，针对近期化石燃料二氧化碳排放造成的全球变暖问题，清洁能源发展的重要性再次被指出。如果基于该技术能够低成本供应氢燃料，能源和环境问题将一次性得到解决，使人类在21世纪的可持续发展成为可能。

　阳光中仅含有少量（约3%）的紫外线，为了有效地将阳光转化为能量，必须利用占太阳能一半的可见光，而开发对可见光敏感的光催化剂一直是人们关注的焦点。近年来，人们对氧化钛进行了大量的改性研究，使其对可见光响应，但这些催化剂不具备分解纯水并产生氢气和氧气的能力。

AIST 于 1992 年在材料科学研究所期间引入了碳酸盐添加法 TiO₂通过开发光催化工艺，我们在世界上第一个证明了水可以被阳光完全分解，并可以产生氢气和氧气。从那时起，我们就专注于开发可见光响应型光催化工艺，并致力于其开发。

　可见光响应光催化剂一种开发方法是将氧化物半导体的能带结构（例如导带、价带以及两者之间的差异（带隙））设计成适合水分解的结构。基于此，我们寻找新的氧化物半导体，并在此基础上进行催化剂设计的研发。结果，InTaO₄（钽酸铟）具有可见光响应性，其能带结构适合光催化分解水。 InTaO₄的In（铟）部分进行金属取代（掺杂）检查，我们发现用Ni（镍）掺杂可以提高性能。助催化剂，纯水在可见光照射下完全分解为氢和氧(H₂/O₂=2)我是世界上第一个发现这是可能的。对于这种氧化物半导体的结构分析，我们得到了独立行政机构国立材料科学研究所的合作。

开发NiO/In_0.9NI_0.1氧化钽₄光催化剂产生的氢气和氧气的量分别为16 µmol/h和8 µmol/h，可见光402 nm处的量子产率为066%，仍处于较低活性，但利用占太阳光一半的可见光成功分解水，可以说是建立未来氢燃料生产技术的重大突破。未来，我们计划在优化表面积和催化剂结构方面进行研究和开发，以提高光催化剂的活性。

光触媒结构详情
　氧化钽₄系统化合物单斜晶系具有晶体结构，具有空间群P2/C，晶型为层状黑钨矿紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱的测量表明该化合物具有吸收可见光的能力。另一方面，其中部分铟被过渡金属元素镍(Ni)取代的那些是In₁-xNixTaO₄(0<x<02)，相同黑钨矿型晶体结构，但晶格常数变短，紫外可见吸收光谱测量表明吸收端已移至较长波长侧。此外，根据 UV-Vis 吸收光谱估计的带隙表明，In₁-xNixTaO₄是没有取代的 InTaO₄更窄这被认为是因为取代的Ni形成新的价带，从而使带隙变窄。

　 10wt%氧化镍_x/在_0.9镍_0.1氧化钽₄中，在可见光照射下以2:1的化学计量比产生氢气和氧气。通过通过 402 nm 截止滤光片关闭和打开灯来确认催化剂的可见光响应性。这是世界上第一个使用传统的单级光激发系统（使用单一光催化剂）实现水的完全可见光分解的例子。还发现，当Ni取代量为01时，与其他情况相比，氢和氧的生成率更高。这是 In₁-xNixTaO₄这可能是因为催化剂的结晶度在 x=01 之前是稳定的。

　目前，转换效率很低（402 nm处量子产率为066%），但这项研究为开发利用可见光的光催化剂提供了线索，随着研究的进展，我们可以预期光催化活性的性能将得到显着提高。

◆光触媒（Hikari Shokubai，光催化剂 ）

光催化剂是受光吸收激发而引起氧化和还原反应的催化物质。有异质半导体光催化剂和均质染料光催化剂。用于太阳能转换、储能化学反应（上坡反应）需要发生。典型的例子包括将水完全分解为氢气和氧气的反应、由二氧化碳气体和水合成有机物质的反应、以及由氮气和水合成氨和其他物质的反应。
使用光催化剂进行太阳能转换的最重要特点是系统简单且易于扩展到大面积。太阳能的一个主要缺点是能量密度低，而廉价且简单的光催化剂是太阳能利用的有前途的技术之一。
当前最大的问题是效率低下。有报道称，在太阳光中几乎不包含的300nm以下的波长区域，量子产率超过50%，但对于波长更长的紫外线，最多也只有10%左右。另一个问题是可以利用可见光的光催化剂极其有限。然而，即使效率低到一定程度，如果系统简单、寿命长、成本低，则在能量平衡和经济效益方面将是有利的。[返回来源]

◆光触媒原理（Hikari Shokubai no Genri，光触媒原理 ）

半导体具有能带结构，其中导带和价带被禁带分开。在染料中，这对应于最低未占据分子轨道 (LUMO) 和最高占据分子轨道 (HOMO)。当能量大于带隙的光照射时，价带中的电子被激发到导带，从而产生导带中的电子和价带中的空穴。激发到导带的电子比处于价带时具有更强的还原能力，因此可以发生在黑暗中无法发生的还原反应。同样，空穴也会发生强烈的氧化反应。水完全分解，导带底部必须是H+/H₂比氧化还原电位更负（0V vs NHE，pH=0），价带顶部为 O₂/H₂必须比 O 电位更正（123V vs NHE，pH=0）。假设反应中没有过电压，123V 的带隙就足够了，这意味着理想情况下可以使用高达 1000 nm 的光。然而，即使将满足该条件的半导体放入水中并用光照射，反应也很难进行。为了使水完全分解，还需要以下条件。
·对光反应稳定，不分解或溶解。
·促进电荷分离并抑制电荷复合。
·支持铂等促进剂，以减少过电压并创建高效的反应活性位点。
·抑制产物和中间体的逆反应。

◆水完全分解化学计量水分解 ）

水的完全分解（或完全分解）是氢和氧以2:1的化学计量比不断发生的反应。这个术语是用来区别过去许多只观察到氢气而不产生氧气的非催化论文。如果不产生氧气，催化剂就会劣化，反应就会停止。为了确认水是否完全分解，首先检查氢气和氧气是否按化学计量比生成。此外，彻底检查长期反应后产生的气体总量是否充分超过催化剂的量、催化剂是否发生变化以及是否发生机械催化剂反应也很重要。
另外，甲醇水溶液产生氢气和硝酸银水溶液产生氧气是水分解反应，但它们不是完全分解反应。这些反应是不可逆的，不会导致光能的积累。不可逆电子供体和甲醇、银离子等电子供体称为牺牲剂。[返回来源]

◆可见光响应光催化剂可见光响应光催化剂 ）

可见光是波长范围从 400nm (380nm) 到 800nm 的光。最典型的二氧化钛光催化剂是紫外光响应型光催化剂，其利用刚好在可见光范围之前的光，因此能够利用超过其吸收波长的光的光催化剂通常被认为是可见光响应型光催化剂。[返回来源]

◆多级光激发反应（Dan Hikari Reikihanno，多步光激发反应 ）

正常的光催化反应是一步光激发反应。另一方面，植物光合作用的机制由两类光激发中心、一个氧生成中心以及连接它们的许多氧化还原电子传递介质组成。由于电子转移的形式，它也被称为Z型机制。两步光激发反应是模仿该反应机理并使用两种类型的光催化剂和简单的氧化还原介质的反应，是真正的人工光合作用系统。该反应的优点是可以为给定的光催化剂选择高效的氧化还原介质。还可以分离并产生氢气和氧气。还可以在氢气生成系统中使用染料敏化光催化剂。

◆半导体光触媒的种类各种半导体光触媒 ）

最典型的光催化剂是二氧化钛（TiO₂)系统。促进剂（例如铂）的存在对于该反应至关重要。铂钛酸₂涂上氢氧化钠，在水蒸气反应中进行测试，或在悬浮体系中进行测试，通过添加高浓度的碳酸盐或从上方用光照射，观察到水完全分解。其他简单氧化物半导体包括 Ta₂O₅或氧化锆₂
复合氧化物形式的 SrTiO₃助催化剂是RuO₂经常使用NiOx（部分氧化的镍）。 K₄NB₆O₁₇是一种层状化合物，当层内负载镍或铂时，其活性会提高。 NiO-NaTaO₃的量子产率达到50%。在早期研究中，研究了许多d轨道中没有电子的半导体，例如Ti、Nb和Ta系统，但最近，报道了d轨道充满电子的半导体光催化剂的活性，例如In和Sn系统。[返回来源]

◆促销员助催化剂 ）

通过负载在半导体粉末上或添加到反应体系中来发挥或提高活性的催化剂。 Pt,RuO₂,NiOx,NiO等。助催化剂具有多种作用，例如作为活性位点，通过积累电荷加速多电子反应，促进电荷分离。例如，Pt 可以显着降低氢气产生的过电压。另一方面，由于可能促进逆反应，因此需要考虑负载量和使用方法。[返回来源]