mile米乐官方网站 阐明提高利用可见光从水中产生氢气的粉末光催化剂转化效率的条件

米乐m6官方网站 (AIST) 零排放国际协同研究中心人工光合作用研究小组 关和彦 (Kazuhiko Seki)，高级首席研究员、南达尔·维卡斯 (Nandal Vikas)，AIST 材料测量标准研究部，纳米材料结构分析研究组特约研究员 松崎博之 (Hiroyuki Matsuzaki)，研究组组长，东海林亮太 AIST 特别研究员 人工光合作用化学工艺技术研究会 (ARPChem)，教授德岛大学 Akihiro Furube、京都大学催化剂与电池元件战略中心特聘教授山下浩一、研究员 Masanori Kaneko、信州大学先进材料研究所特聘教授 Kazunari Domen（兼任东京大学特聘教授）、Takashi Hisatomi、Lihua 副教授与林博士后研究员合作，Y₂钛₂O₅S₂,太阳能到水分解反应能的转换效率的必要条件（以下简称“转换效率”）超过10%，这是实际使用的标准。第一的，瞬态吸收光谱Y 提供₂钛₂O₅S₂从 1 皮秒（万亿分之一秒）到 1 微秒（百万分之一秒）的六位数时间跨度光激发载流子测量粉末形式浓度随时间的变化光激发载流子的寿命（以下简称“载体寿命”）。接下来，我们根据获得的物性数据进行模拟分析，以确定转换效率与粉末粒径之间的关系，发现通过将粒径减小到1微米以下，转换效率可以超过10%。另外，延长职业生涯兴奋剂效果的模拟分析研究表明，即使将电子浓度降低到当前水平的百分之一，转换效率也可以超过 10%。

本研究获得的结果将为进一步提高硫氧化物光催化剂的效率提供定量指导。此外，通过将本研究中应用的物理性质数据提取方法和模拟分析应用于其他粉末光催化剂，我们有望开发出更有效地从水中提取氢的新材料。

这一结果的详细内容将于2021年12月7日（英国时间）发表在英国电子普通科学期刊``自然通讯

使用光催化剂将水分解为氢气和氧气的反应正在世界各地进行研究和开发，因为它们可以利用太阳能生产氢气。特别是，粉末状光催化剂能够利用太阳能大规模生产氢气，因为可以通过涂覆以低成本制造大面积的光催化剂片。此外，正在积极进行技术开发，目的是利用太阳辐射能量强度高的可见光区域中波长为650纳米（百万分之65米）以下的太阳能作为水分解反应的能量。

2019年信州大学特聘教授道门一成等人开发出粉末状硫氧化物光催化剂Y，可吸收波长650纳米以下的太阳光，将水分解为氢气和氧气₂钛₂O₅S₂被开发出来。该催化剂在20小时内连续将水分解为体积比为2:1的氢气和氧气，理论上转化效率有望超过10%。然而，目前的转换效率还不到1%，需要进一步改进光催化剂，但对此的指导方针尚未明确。

光催化剂利用光的能量在光催化剂内部产生光激发载流子，并利用其在光催化剂表面引起特定反应。为了高效地发生分解水并产生氢气的反应，光照射产生的光激发载流子必须到达与水接触的光催化剂表面，而不会在光催化剂内部重新结合和消失（图1）。然而，Y₂钛₂O₅S₂的情况下，由于光催化剂内部本来就存在相对于空穴过剩的电子，光生载流子之间的空穴很可能在反应发生之前与过剩的电子复合而损失，电流转换效率低于1%。

AIST 一直在进行激光光谱测量并对测量数据进行理论分析，目的是提高光催化剂的性能。根据以往的结果，粉末状硫氧化物光催化剂Y₂钛₂O₅S₂，我们进行了研究，基于光激发载流子浓度随时间变化的瞬态吸收光谱测量以及对此测量数据的理论分析，量化由于复合而损失的光激发载流子的比例，并获得提高转换效率的指南。

这项研究得到了国家研究开发机构新能源和产业技术开发机构 (NEDO)“利用二氧化碳制造关键化学品的工艺技术开发（人工光合作用项目）”的支持。

首先，为了详细跟踪光激发载流子的复合过程，我们使用瞬态吸收光谱法在 1 皮秒到 1 微秒的六位数时间跨度内、不同激发光密度下测量了光激发载流子浓度的时间变化。图 2 显示了典型激发光密度下的测量结果。

接下来，我们对光激发载流子浓度的这种时间变化进行了数值分析（图2中的实黑线），并且重组速率常数并测定了电子浓度。根据获得的物理特性数据，载流子寿命估计约为6纳秒。考虑到能够到达表面的光激发载流子的比例取决于粒径，如果粒径较大，光催化剂内部产生的光激发载流子将在载流子寿命内消失，无法到达与水接触的光催化剂表面。此外，假设到达光催化剂表面的所有光激发载流子都有助于水分解反应，内量子效率的上限是到达光催化剂表面的光激发载流子的比例。因此，我们计算了光催化剂内部产生的光激发载流子在载流子寿命之前到达表面的比例，发现通过将粒径从目前的10微米减小到1微米，内量子效率提高到565%（图3（a））。这导致内量子效率与转换效率之间的关系，我们发现转换效率有可能大幅超过10%，这是实际使用的标准。

此外，掺杂可以改变电子浓度并延长载流子寿命。我们进行了考虑到这种影响的模拟，并估计即使将电子浓度降低到当前水平的百分之一左右，内量子效率也将提高到50％以上，转换效率将超过10％（图3（b））。

到目前为止，已经使用瞬态吸收光谱法在皮秒或微秒时域内单独确定了粉末状光催化剂的物理性质数据。这次，我们第一次能够通过对跨越两个时域的测量数据进行理论分析来准确确定物理性质数据。结果，我们成功地进行了高度准确的性能预测。

硫氧化物光催化剂Y₂钛₂O₅S₂的粒径和掺杂量样本。通过重复与本研究相同的分析，我们计划获得有关材料特性和转换效率之间相关性的定量知识。通过将这些知识反映到催化剂开发中，我们将为实现 10% 或更高的转换效率做出贡献。此外，我们还将把本研究中应用的物理性质数据提取方法和模拟分析应用于其他粉末光催化剂，以促进更有效地从水中提取氢的新材料的开发。

已出版的杂志：自然通讯
论文标题：揭示可见光吸收硫氧化物的电荷动力学，以实现高效的整体水分解
作者：Vikas Nandal、Ryota Shoji、Hiroyuki Matsuzaki、Akihiro Furube、Lihua Lin、Takashi Hisatomi、Masanori Kaneko、Koichi Yamashita、Kazunari Domen 和 Kazuhiko Seki
DOI：101038/s41467-021-27199-3

◆太阳能到水分解反应能的转换效率

太阳照射到用于从水中产生氢气的反应的光催化剂的能量比例。[返回参考源]

◆瞬态吸收光谱

一种检测所产生的电子和空穴的浓度随时间的变化的方法，其方法是：使用激发光脉冲在样品内部产生电子和空穴之后延迟照射检测光，并测量检测光的强度随时间的变化。[返回来源]

◆光激发载流子

当光催化剂吸收光时，电子和空穴成对产生。这对产生的电子和空穴称为光激发载流子。[返回来源]

◆光激发载流子的寿命

从产生光激发载流子到其因复合而消失的时间。是₂钛₂O₅S₂当使用阳光时，可以使用复合速率常数和电子浓度的乘积来估计。[返回来源]

◆兴奋剂

在纯半导体中添加少量杂质，以改变对电流有贡献的带电粒子浓度（此处为电子浓度）。[返回来源]

◆复合速率常数

比例系数与半导体中电子和空穴复合和消失的反应速率有关。[返回来源]

◆内量子效率

被用于反应的光催化剂吸收的光子的百分比。由于光催化剂吸收的光子被转化为光激发载流子，假设光催化剂内部产生后到达表面的所有光激发载流子都有助于水分解反应，则可以根据到达表面的光激发载流子的比例来计算内量子效率。[返回来源]

◆内量子效率与转换效率的关系

太阳光各波长的辐照度（光谱辐照度，单位：瓦每平方米每纳米：W·m⁻²纳米⁻¹)和内量子效率计算转换效率的结果。从太阳照射到光催化剂的能量可以根据灰色显示的辐照度来计算。转换效率是由水产生氢气的反应中所使用的照射能量的比例，但在计算转换效率时，假设波长低于光催化剂可以吸收的所有照射光都被吸收。在此假设下，从水中产生氢的反应中所使用的能量比例是根据内量子效率计算的。图中红色实线和紫色实线分别表示内量子效率为100%和478%时光催化剂能吸收的最长波长与转换效率的关系。如果内量子效率低，即使光催化剂能吸收的最长波长相同，转换效率也会低。是₂钛₂O₅S₂吸收波长低于 650 纳米的光（蓝色虚线）。当内量子效率为100%时，从红实线和蓝虚线的交点算起，转换效率为209%。另一方面，当内量子效率为478%时，从紫色实线和蓝色虚线的交点开始转换效率为10%。 1微米粒径对应的内量子效率为565%，转换效率大于10%。[返回来源]

太阳光的光谱辐照度（灰色）与光催化剂可以吸收的最长波长和转化效率之间的关系。红色实线和紫色实线分别是内量子效率为100%和478%时的计算结果。