二氧化钛薄膜做电极电解水
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2025-01-13
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（Source：北海道大学）
因此为提高光吸收量，团队打造一款「三明治」光电极，将 30 奈米厚的二氧化钛薄
膜夹在 100 奈米厚金制薄膜与金奈米粒子之间。当光被金奈米粒子层吸收时，二氧化钛另
一面的金薄膜就可以变成镜子，光可在两面镜子间来回反射，即是所谓的「共振腔」
（Cavity），光会不断穿过二氧化钛层，可最大化光吸收与制氢效益。
实验结果也指出，新型光电极效率比以往的设备还要高，可吸收超过 85% 可见光，
三泽弘明指出，金奈米粒子会出现「局部电浆共振」（localized plasmon resonance）现
象，可吸收特定波长的光，且二氧化钛层中的电浆会与可见光相互作用，让金奈米粒子可
吸收光谱范围较宽的光。
当金奈米粒子吸收光时，额外的能量会刺激金的电子激发（electron excitation）并将
电子转移到二氧化钛层中。三泽弘明表示，光转换效率可说是以往的 11 倍，可大大提升
水分解制氢效率。
研究员表示，团队希望未来可用极少的材料、让光电极有效将阳光转换成再生能源，
进一步加速实现永续社会。目前研究已发表在《Nature Nanotechnolog》。
美发明光电解水新技术
利用可见光将水分解成氢气和氧气
美国宾夕法尼亚州立大学的科学家近日在《纳米快报》上发文称，由自动排列、垂直定向
的钛铁氧化物纳米管阵列组成的薄膜，可在太阳光的照射下将水分解为氢气和氧气。这种
新的光电解水技术费用低廉、污染少，而且还可以不断改进。
宾夕法尼亚州立大学的科学家曾经报道，在紫外线的照射下，钛纳米管阵列的光电转换效
率可达 16.5%。二氧化钛通常用于白漆和遮光剂，由于它具有很好的电荷转移性和耐腐蚀
性，因而有望成为廉价、长效的太阳能电池材料。不过，紫外线在太阳能光谱中只占大约
5%，研究人员需要找到一种方法，把材料的带隙移至可见光谱。
研究人员推测，通过将低带隙的半导体材料———赤铁矿掺杂到二氧化钛膜中，可以吸收
更大范围的太阳光。该校材料研究所电机工程教授克雷吉•格兰姆斯领导的研究团队将掺杂
有氟的氧化锡涂布到玻璃基质上，然后再将钛和铁溅射到其上面，从而制造出了一种钛—
铁金属膜。该薄膜在乙烯乙二醇溶液中进行阳极电镀，接着经氧气退火 2小时后结晶。经
过对许多不同厚度、不同铁含量的薄膜进行研究，他们得到了光电流强度为2毫安/平方厘
米、光电转换率为 1.5%的薄膜。这是利用氧化铁材料获得的第二高的光电转换率。
该团队目前正试图通过优化纳米管结构以克服铁的低电子空穴迁移性。通过减少钛铁氧化
物纳米管壁的厚度，研究人员希望，具有赤铁矿带隙的材料可以获得接近12.9%的理论最
大光电转换率。
发展洁净能源或替代新能源是未来能源建设的世界潮流，其中氢能是最佳选择。由于氢、
氧结合不会产生二氧化碳、二氧化硫和烟尘等污染物，所以氢被看作是未来理想的洁净能
源，有“未来石油”之称。
原标题：德发明太阳能电解水制氢新工艺
科技日报柏林 5月25 日电 （记者顾钢）德国柏林的赫尔姆茨太阳能燃料研究所研究
人员应用特殊纳米材料，日前发明了高效利用太阳能制氢新工艺。这种纳米材料可以使太
阳能转化为电能的效率达到 80%。
新工艺采用的是水电解原理。在中学课堂上我们就知道，将两根电极插入水中，在电
磁场作用下，水可以分解成氢气和氧气。氢是一种可以存储的能源，氢燃料电池可以应用
在汽车等众多领域。通常电解水需要耗费大量电能，在产生氢能的同时又在消耗能源。这
种能源转化并不经济，于是赫尔姆茨太阳能燃料研究所研究人员想到了利用太阳能，但是
太阳能的能源转换效率通常比较低，不能满足电解水需要，为此他们研究出一种纳米材料
电极。这种电极可以大大提高太阳能转换为电能的效率，从而提高电解水的制氢能力。
研发利用太阳能电解水的电极材料并不是件容易的事，因为电解水制氢过程最好是在
酸性环境下进行，但这样的环境容易使太阳能电池生锈，而且采用传统电极需要昂贵的稀
有金属铂或铂铱化合物。为此，研究人员想出一个解决办法，他们用黄铜制成用二氧化钛
包覆的透明、轻质的薄膜材料。二氧化钛薄膜是多晶体，并含有铂纳米颗粒。这种新的金
属复合材料可以在阳光照射下产生0.5 伏特的光压，以及每平方厘米38 毫安的光电能，
并能作为制氢的催化剂，也可防止电极生锈。
该项目负责人尼德利克称，采用这项新技术可以使阳光中可见光的 80%转化成光电能
并用于制氢。目前该项目还有许多试验要做，要达到实际应用效果，复合电极之间的电磁
场至少要达到 1.8 伏特。尼德利克表示，“我们的实验证明，未来完全可以利用太阳能来生
产氢燃料。我们已与一家公司合作使光制氢项目工业化”。
总编辑圈点
能源技术的发展对当今社会的重要性不言而喻，而清洁高效且用之不竭的能源更能给
社会各方面带来深远的影响。利用纳米材料技术，德国的科学家将水和太阳能转化成了清
洁的氢能源，转化效率高达 80%，且对材料本身没有太多损耗。虽然这项技术离工业化还
有段路要走，然而，科学家的实验也告诉我们，材料技术的新应用让原本高成本的物质能
量转化过程变得简单和容易。也许在除了能源技术之外的其他领域，创新的材料技术也能
带给我们意外的惊喜。
[转载]顾竞博士取得人工光合作用制氢技术突破
(2017-02-20 08:24:43)
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原文地址：顾竞博士取得人工光合作用制氢技术突破作者：
2 月5日，《科学美国人》（Scientic American，Sci Am）在头版显著位置发布
了一篇重要文章-“科学家们为可再生氢气能源的制造开发出更好的途径” （Scientists
Develop a "Better Way" to Produce Renewable Hydrogen）。文章特别指出：该
项研究成果的论文已经发表在自然杂志能源专刊上，论文的第一作者是 Jing Gu （顾竞）
博士，这位从贵州大山中走出来的年轻女科学家，是美国圣地亚哥州立大学（San Diego
State University，简称SDSU）化学与生物化学系的助理教授。业内人士评价该项目的
研究成果为利用太阳能提供了切实可行的新方案。
众所周知，太阳能发电技术的一个致命缺陷是受制于日夜交替和天气变化，而且大规
模太阳能收集基地又远离高能耗的人口中心。收集太阳能不是主要问题，对太阳能的有效
地储存和运输才是关键。虽然近年来也开发了高压直流输电、蓄水储能等各种相关技术，
但这些技术都有着各种各样的缺点，它们都不是长远的理想解决方案。而作为太阳能转换
和存储的重要分支：“人工光合作用分解水制氢”技术具有广阔的应用前景。利用3-5 族化
合物半导体太阳能电池的“人工光合作用分解水制氢”技术开发已有近二十年的历史，这条
崎岖的探索之途上的拦路虎是制备高效稳定的光阴极材料。
半导体磷化镓铟材料与砷化鎵p-n 结形成的串接太阳能电池早在20 年前就被证明可
以应用于太阳能电解水制氢气，太阳能转化为氢气的效率可高达 12％。但是该电极系统本
身在水溶液的条件下非常不稳定，电极表面会发生自身的还原反应从而使电极材料腐蚀。
如何稳定电极表面并且同时保持电极对水分解的催化活性是研究所要解决的关键。
顾竞博士与人工太阳能制氢技术
顾竞的研究表明可以通过原子层沉积法将二氧化钛沉积到电极表面提高电极的稳定性
并进一步通过廉价的水分解催化剂使电极表面保持水分解活性。用廉价非晶态二硫化钼催
化剂修饰过的半导体电极的稳定性可以与贵金属铂钌修饰过的电极表面稳定性相当。这个
研究的创新性在于以往的研究虽然也尝试将二氧化钛做为光阴电极的稳定层，但是催化层
一般是贵金属异相催化剂。更为关键的是，在高温加热的情况下，研究发现催化剂层二硫
化钼和保护层二氧化钛形成了一个互相镶嵌的结构，进一步提高了电极的稳定性。该研究
为获取稳定的光电极材料开拓了全新的方向。
人工光合作用制氢包含还原和氧化两个反应：水溶液中的光敏半导体在阳光照射下产
生电子和空穴。电子进入还原催化剂后把水中的氢离子还原成氢气—这是还原反应；空穴
进入氧化催化剂后把水中的氧离子氧化生成氧气—这是氧化反应。由此可知，寻找高效率
的催化剂和保护层相结合是人工光合作用制氢的关键。现在在人工光合作用领域有各种不
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（Source：北海道大学）因此为提高光吸收量，团队打造一款「三明治」光电极，将30奈米厚的二氧化钛薄膜夹在100奈米厚金制薄膜与金奈米粒子之间。当光被金奈米粒子层吸收时，二氧化钛另一面的金薄膜就可以变成镜子，光可在两面镜子间来回反射，即是所谓的「共振腔」（Cavity），光会不断穿过二氧化钛层，可最大化光吸收与制氢效益。实验结果也指出，新型光电极效率比以往的设备还要高，可吸收超过85%可见光，三泽弘明指出，金奈米粒子会出现「局部电浆共振」（localizedplasmonresonance）现象，可吸收特定波长的光，且二氧化钛层中的电浆会与可见光相互作用，让金奈米粒子可吸收光谱范围较宽的光。...
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