大連化物所發(fā)現(xiàn)絕緣體表面光催化重整甲醇制氫反應

　　近年來，太陽能光催化分解水研究受到世界范圍的廣泛關注。導體光催化劑上分解水的基本原理是光催化劑受到光激發(fā)后產(chǎn)生光生電子與空穴，光生電子與空穴分離并遷移至光催化劑表面進而發(fā)生氧化還原反應。傳統(tǒng)的光催化或光化學反應發(fā)生的前提條件要求光催化劑或參與光化學反應的分子被激發(fā)光所激發(fā)，而傳統(tǒng)的絕緣體材料（以SiO₂為例）由于其帶隙大于8.0 eV，不能被普通光源所激發(fā)，而被認為不可能實現(xiàn)光催化制氫反應。

　　近日，中國科學院大連化學物理研究所潔凈能源國家實驗室太陽能研究部研究員、中科院院士李燦和博士李仁貴等人在光催化水分解制氫反應研究中意外發(fā)現(xiàn)，以典型的甲醇溶液作為反應溶液，用傳統(tǒng)的石英反應器，在高壓汞燈作為光源（激發(fā)光能量遠小于石英的帶隙）的情況下，在沒有加入任何半導體光催化劑的情況下，反應體系生成了可觀量的H₂。相關結果在線發(fā)表在Scientific Reports上（Rengui Li and Can Li et al,Scientific Reports, 2015, 5, 13475）。

　　光催化制氫研究領域通常采用CH₃OH作為產(chǎn)氫半反應的犧牲劑以探測光催化劑的質(zhì)子還原反應能力。但在本工作中，研究人員用光催化反應研究廣泛使用的石英反應器，在高壓汞燈作為光源、在沒有加入任何光催化劑的空白反應實驗中觀察到氫氣的生成；隨后通過反應條件的調(diào)變（溶液濃度、pH值、激發(fā)波長以及不同波長激光作為光源等條件的調(diào)控），確認了H₂的產(chǎn)生源于石英反應器與甲醇水溶液的界面上。為了增大絕緣體與溶液的接觸界面，研究人員在反應體系中加入絕緣體的顆粒（SiO₂，Al₂O₃等）并擔載少量Pt作為產(chǎn)氫助催化劑時，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氫的量可以得到大幅度提升；從而確認在激發(fā)光源能量遠小于絕緣體帶隙的條件下，絕緣體表面顯示出光催化重整甲醇制氫的活性。

　　研究人員進一步通過熒光光譜（PL）、電子自旋共振(ESR)等表征發(fā)現(xiàn)，石英自身由于在高溫退火制成過程中會不可避免地在表面生成少量的缺陷態(tài)，初步認為這些缺陷態(tài)形成的淺能級可以被能量遠小于石英帶隙的光子所激發(fā)，產(chǎn)生的光生電子參與質(zhì)子還原反應而生成H_2；由于貴金屬Pt加速了光生電子參與質(zhì)子還原的放氫反應，故在絕緣體表面擔載少量Pt可顯著增加氫的產(chǎn)量。該工作拓展了大家對絕緣體表面物理化學性質(zhì)的認識，特別是對發(fā)展和完善半導體多相光催化理論和實驗具有重要意義。

　　上述研究工作得到國家自然科學基金委和科技部“973”項目的支持。

大連化物所發(fā)現(xiàn)絕緣體表面光催化重整甲醇制氫反應