创新突破： 加拿大INRS宣布 光合作用产绿氢的新型纳米催化材料

能量转移向量

经济合作与发展组织(经合组织)的几个国家认为氢是向脱碳工业和部门过渡的关键角色。根据INRS教授My Ali El Khakani的说法，魁北克可以在未来的能源领域中战略性地定位自己。“多亏了高性能纳米材料，我们才能提高水解离制氢的效率。这种”清洁“燃料对于重型卡车和公共交通的脱碳越来越重要。例如，几个欧洲国家和中国已经在使用氢燃料的公共汽车。这些公共汽车排放的是水而不是温室气体，”物理学家和纳米材料专家补充道。

水分子分裂成氧和氢，一直以来都是通过电解来完成的。然而，工业电解槽是非常能源密集型的，需要大量投资.INRS和ICPEES的研究人员受到一种自然机制的启发：光合作用。事实上，他们已经开发出了经过特殊设计和结构的电极，能够在太阳光下分裂水分子。这是一个被称为光催化的过程。

纳米结构电极的设计与制造面临的挑战

为了最大限度地利用太阳能，研究小组选择了一种非常丰富和化学稳定的材料：二氧化钛(TiO2)。二氧化钛2是一种以对紫外光光敏而闻名的半导体，它只占太阳辐照度的5%。研究人员利用他们在这一领域的专门知识，首先改变了TiO的原子组成。2并将其光敏性扩展到可见光。他们能够制造出能吸收高达50%太阳发出的光的电极。从一开始就有很大的收获！

然后，研究人员对电极进行了纳米结构，形成了一个二氧化钛网络。2类似蜂窝状结构的纳米管。该方法将电极的有效表面积乘以100,000或更多。纳米结构使材料的表面与体积之比最大化。例如，TiO。2纳米结构可提供每克50平方米的表面积。这就是中型公寓的面积！“El Khakani教授热情地指出。

电极精化的最后一步是它们的“纳米修饰”。这一过程包括在TiO的无限网络上沉积催化剂纳米粒子。2提高纳米管的制氢效率。为了实现这一纳米装饰步骤，研究人员使用了激光消融沉积技术，在这个领域，El Khakani教授在过去25年中发展出了独特的专业知识。所面临的挑战不仅仅是控制纳米催化剂在TiO上的粒径、分散和锚固。2纳米管的基体，也是寻找替代昂贵的铱和铂经典催化剂。

这项研究确定了钴氧化物(CoO)，一种在魁北克地下相当可用的材料，是分解水分子的有效的助催化剂。两种材料的比较表明，与裸纳米管相比，CoO纳米粒子使这些新型纳米修饰电极在可见光下的光催化效率提高了10倍。

资料来源：国家科学研究所 作者：Audrey-Maude Vézina。