米乐m6官方网站 世界上首次成功利用人工光合作用系统利用可见光完全分解水

米乐m6官方网站（所长：吉川博之）（以下简称“AIST”）光反应控制研究中心所长荒川弘典和首席研究员狭山一宏，利用模仿植物光合作用机制的“人工光合作用系统”，在世界上首次成功利用可见光将水完全分解为氢气和氧气。该系统是一种非常简单的技术，只需将两种可见光响应氧化物半导体粉末悬浮在含有碘的水溶液中并用可见光照射即可从水中产生氢气，从而从水中产生氢气。它有望作为一种低成本太阳能转换和利用可再生能源制氢的技术。这项研究结果发表在最新一期英国化学会期刊《化学通讯》（11月底出版）上。

○水完全分解光合作用模拟可见光响应型光触媒迄今为止，开发系统一直很困难。
　植物光合作用过程中观察到的可见光照射下的水分解过程是一种能量储存型反应，人们已经进行了各种研究来模仿这种机制作为利用太阳能的一种方式，但迄今为止尚未实现。

○ 在 AIST，可见光响应光催化剂我们使用多种方法进行工艺研究和开发。
　在光反应控制研究中心，我们一直在努力研究两步光催化水分解过程，学习自然光合作用[连接PSI和PSII系统]。

○ 这次，我们在世界上首次利用人工光合作用系统成功地完全分解水中的可见光。
　铬掺杂铂负载钛酸锶（SrTiO₃)[PSII系统]和负载铂的氧化钨(WO₃) [PSI系统]与碘氧化还原相结合实现的。
　我们计划未来改善其活动。

　实现转换和储存光能的“人工光合作用系统”，例如利用太阳能从水和二氧化碳中合成氧气和有机物，或者将水分解成氢气和氧气，是科学家的一个远大梦想，但实际上这是一项极其困难的技术。尤其是“水完全分解”是最基本的反应。植物的光合作用使用两种类型的光吸收中心，利用叶绿素和许多电子继电器（例如醌）来分解水，产生氧气，并将二氧化碳气体还原为糖。光合作用机制图1（由于电子流的形状，也称为“Z 型反应”）。到目前为止，人工光合作用的研究主要集中在叶绿素等金属配合物的研究人员身上。然而，从水中提取氧气的反应由于同时使用四个电子而难以控制，并且由于普通金属配合物对氧不稳定，因此在金属配合物领域“完全分解水”几乎从未实现。

　另一方面，在使用半导体粉末的光催化领域，自从1980年发现使用氧化钛、钛酸锶等粉末状光催化剂在紫外线照射下可以完全分解水以来，一直在积极进行完全分解水的光催化研究。反应机理图 2然而，用可见光很难取得成功＊阳光中只含有少量的紫外线，为了实现高效的能量转换，必须使用占太阳能一半的可见光。尽管正在进行大量研究来改性二氧化钛以使其对可见光敏感，但这些催化剂几乎没有产生氢气的能力。

＊这一次，研究成果发表在 12 月 6 日的《自然》杂志上这是正常的光催化反应吗（一步光激发反应)成功地实现了可见光水分解。这是直接的攻击方式，难度极大。

 

　AIST一直在进行研究，其想法是模仿植物的光合作用机制，利用可见光分解水。吸收光的材料不应该是不稳定的金属络合物体系，而是容易产生氧气的稳定的可见光响应氧化物。半导体光触媒图 1的“Z方案”所示，光合作用利用叶绿素和许多电子中继的两种光吸收中心来分解水并产生氧气，同时还将二氧化碳气体还原为糖。照片系统I)，氧气发生侧为PSII(光学系统II，照片系统二)。在本研究中，我们首先简化氧化还原继电器并使用 I-（碘离子）和 IO₃-（碘酸根离子）连接。钛酸锶（SrTiO₃) 将铂负载在半导体粉末上的光催化剂（可以利用波长短于600nm的光），并且使用氧化钨（WO₃)我们使用了一种光催化剂，其中铂负载在半导体粉末上（可以利用波长短于460 nm的光）。具体地，将上述两种类型的光催化剂简单地混合并悬浮在碘化钠水溶液中，并照射可见光。仅此一项就导致水分解，在很长一段时间内以 2:1 的比例产生氢气和氧气。这可以说是世界上第一个构建响应可见光的人工光合作用系统的例子。此外，与传统方法（单级激发法）不同，还可以分别产生氢气和氧气。

　目前，转换效率非常低（420nm 处为 01%），但这项研究为可见光的使用提供了线索，并且随着研究的进展，预计性能将显着提高。

◆光触媒（Hikari Shokubai，光触媒 ）

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。为了转化太阳能，需要进行储能型化学反应（上山反应）。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 ）

半导体具有导带和价带被禁带分开的能带结构。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。为了使水完全分解，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。
·白金等助催化剂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。[返回来源]

◆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以化学计量比产生。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。[返回来源]

◆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涂上氢氧化钠并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照射光来观察水的完全分解。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]