化学家发现了促进太阳能驱动的水分解的基本催化剂质子化过程

氢是可持续未来的一种有前途的绿色能源载体。然而，它主要被锁在水中。需要能量才能将其从水中释放出来以供实际使用。太阳能是一种丰富的可再生能源，是使用“光催化剂”直接分解水产生氢气的理想选择。然而，尽管付出了相当大的努力，但由于相对较低的效率和催化剂的高成本，实际采用一直很缓慢。

香港大学-中国科学院新材料联合实验室及香港大学(港大)化学系郭正孝教授及大卫·李·菲利普斯教授领导的研究团队报告发现了一个重要的原位质子化过程改善了光催化剂中电荷载流子的光动力学和分离，导致利用可见太阳光从水中有效地产生氢气。

由于其成本效益和实际应用的巨大潜力，该工艺在间隙磷掺杂的碳氮化物结构中实现，仅具有地球上丰富的非金属元素。研究结果最近在线发表在《能源与环境科学》杂志上。

广泛的研究工作致力于开发用于太阳能驱动能量转换的光催化剂，主要通过电荷分离、转移和利用来提高活性、效率和耐久性。然而，复杂的多电子转移、质子耦合和中间动力学都会影响光催化途径、动力学和效率，这些都还没有被很好地理解。

因此，非常需要在分子水平上促进整合创新合成设计、显微和光谱表征以及原子模拟的深入研究。

香港大学团队了解目前在光催化方面的努力和挑战，从不同角度审视基本问题，并提出质子介导光催化机制的新基本过程，以增强光动力学、电荷分离，从而提高光催化的整体效率。填隙磷掺杂碳氮化物，gC3N4。

原位质子介导的机制指出了水分子的新作用，不仅是作为溶剂或反应物，而且在有效光催化过程的总体设计中作为催化剂的有效能带结构改性剂。

从本质上讲，该团队通过孔隙率稳定的间隙P掺杂和原位质子化开发了一种有效的原子异质结，以诱导浅陷阱态，有效延长激发态的寿命，同时抑制不需要的深电荷陷阱，从而实现高效遇水分解。

该团队首次发现，在多孔gC3-xN4中，间隙锚定磷的原位质子化是一种非常有效的催化剂结构构型，可实现高效稳定的可见光氢生成。

郑教授说：“我们预计，我们的发现将为未来有效利用太阳能的光催化剂设计开辟一条新思路，方法是更加关注操作结构动力学，将其作为提高转化效率的可行手段。”小郭。

“光谱研究展示了一个丰富多彩的纳米材料世界，它将更多地揭示科学和技术的机械洞察力，”DavidLeePhillips教授附和道。