导读
近日，德国慕尼黑大学（LMU）的物理学家们与维尔茨堡大学的化学家们展开合作，首次成功地演示了一种在一体化光催化系统帮助下完全地分解水的方案。
背景
近年来，全球气候变暖引起了社会各界的广泛关注。然而，全球气候变暖的主要原因在于：近一个世纪以来，人类大量使用矿物燃料（如煤、石油等），排放出大量的二氧化碳等多种温室气体。全球变暖会带来全球降水量重新分配，冰川和冻土消融，海平面上升等，不仅危害到自然生态系统的平衡，更威胁到人类的食物供应与居住环境。
（图片来源：维基百科）
因此，人类急需摆脱矿物燃料，开发出既有创新性又有经济效益的可再生能源。太阳能水分解是一种制造洁净、可再生能源的富有前景的方法。基于半导体纳米颗粒的新型催化剂，现在已经被证明可促进“人工光合作用（'artificial photosynthesis）”所需的所有反应。通过光催化作用将水分解为氢燃料和氧气，提供了一种特别吸引人注目的方案。但是，模仿生物光合作用，高效地实现这一个过程，在技术上颇具挑战性。原因在于：这包括了一系列会相互影响的过程。
创新
近日，德国慕尼黑大学（LMU）博士 Jacek Stolarczyk 与教授 Jochen Feldmann 领导的物理学家们与维尔茨堡大学教授 Frank Würthner 领导化学家们展开合作，首次成功地演示了一种在一体化光催化系统帮助下完全地分解水的方案。他们的新研究发表在《自然能源（Nature Energy）》期刊上。
这种新的催化系统可以作为一种分解水的多功能工具（图片来源：C. Hohmann, NIM）
技术
光催化分解水分子的技术方法采用了人工合成成分，模仿自然光合作用期间发生的复杂过程。在这种系统中，吸收光量子（光子）的半导体纳米颗粒，原则上可以作为光催化剂。吸收一个光子，会产生一个带负电荷的粒子（电子）和一个带正电荷的个体（空穴），这两个必须是空间分离的，从而使得水分子可通过得到电子被还原成氢气，也可以通过得到空穴被氧化成氧气。
（图片来源：参考资料【2】）
Stolarczyk 表示：“如果有人只想从水中生成氢气，通常需要通过添加牺牲性的化学试剂来迅速去除这些空穴。但是为了实现完整的水分解，系统中的空穴必须被保留，从而驱动水氧化的缓慢进程。”问题在于：在单个粒子上让两个“半反应（half-reactions）”同时发生，同时保证电性相反的个体不会再次结合。此外，许多半导体会自身氧化，因此会被带正电荷的空穴破坏。
Stolarczyk 解释道：“我们采用由半导体材料硫酸镉（cadmium sulfate）制成的纳米棒，并且在纳米晶体上通过空间分离氧化和还原反应发生的区域，从而解决了这一问题。”
研究人员用铂微粒修饰纳米棒的尖端，而铂微粒可作为吸收光线激发的电子的受体。慕尼黑大学之前已经展示过，这种配置可为水还原成氢气提供一种有效的光催化剂。另外一方面，氧化反应发生于纳米棒的另一端。为此，慕尼黑大学的研究人员在侧表面贴上了维尔茨堡大学团队开发的钌基氧化催化剂。这种成分具有官能团，可以将它固定到纳米棒上。
维尔茨堡大学的项目发起人之一 Peter Frischmann 博士表示：“这些官能团为空穴到催化剂提供了极快的输运，有效地促进了氧气的生成，并使得纳米棒的损伤降到最低。”
价值
这项研究是跨学科项目“Solar Technologies Go Hybrid”（SolTech）的一部分，该项目由德国巴伐利亚州赞助。慕尼黑大学光子学与光电子学主席 Jochen Feldmann 教授表示：“SolTech 的任务就是为太阳能到非化石能源的转化探索创新理念。”
与 Feldmann 一起发起 SolTech 项目的 Würthner 补充道 ：“新型光催化系统的开发，是 SolTech 如何将处于不同地点以及不同学科的专家结合起来的一个好示例。该项目的成功离不开两个研究所的化学家与物理学家的跨学科合作。”
关键字
光催化、水分解、新能源
参考资料
【1】https://www.en.uni-muenchen.de/news/newsarchiv/2018/stolarczyk_photokatalyse.html
【2】Christian M. Wolff, Peter D. Frischmann, Marcus Schulze, Bernhard J. Bohn, Robin Wein, Panajotis Livadas, Michael T. Carlson, Frank Jckel, Jochen Feldmann, Frank Würthner, Jacek K. Stolarczyk. All-in-one visible-light-driven water splitting by combining nanoparticulate and molecular co-catalysts on CdS nanorods. Nature Energy, 2018; DOI: 10.1038/s41560-018-0229-6
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