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上海硅酸盐所在黑色二氧化钛制备与太阳能利用方面取得系列重要进展
2018-01-19 16:20:39 | 【 【打印】【关闭】

  二氧化钛,作为重要的新能源和环境保护材料,在光催化、太阳能发电、太阳能集热等方面被广泛应用。然而,二氧化钛的太阳能利用面临巨大的挑战,主要原因在于光吸收范围窄、电子-空穴对的分离效率低。二氧化钛只能吸收太阳光谱中~5%的紫外光,而无法利用可见光和近红外光的能量;本征电导率只有~10-10 S/cm,不利于光生电子-空穴对的分离和传输。这些问题严重影响了二氧化钛在能源与环境领域的广泛应用,无法充分利用太阳能。 

  最近,中国科学院上海硅酸盐研究所与北京大学化学学院开展了合作研究,黄富强、汪宙、杨重寅、林天全等科研人员原创地发展出多种新型制备方法(氢等离子法、铝还原法、二步非金属掺杂法),大幅提高了太阳光谱中可见光和近红外光的吸收,效果明显。这些最新发现的黑色二氧化钛纳米晶,不同于高温氢气还原的黑色氧化钛,为一种核壳结构,核区仍为结晶的二氧化钛,外壳为无定型的结构,其中无序的外壳是使白色二氧化钛变成黑色的功能区域,无序的外壳包含氧空位或非金属X掺杂(X=HNSI)。该结构可导致对太阳光的吸收高达85%,远优于文献报道(30%)。 

  良好的太阳能宽谱吸收、化学物理稳定性,以及改善的载流子浓度和电子迁移性能,可以满足高效太阳能的要求。其中,氮掺杂的纳米黑色二氧化钛,太阳光催化分解水,产氢率达到15 mmol h-1 g-1,处于报道最优异的可见光催化剂之列;对有机污染物的降解速率是商用纳米二氧化钛(P25)的四倍。黑色二氧化钛纳米管阵列用作光化学电池(PEC)电极,光能向氢化学能转换效率达到1.67%,为二氧化钛基PEC转换效率的最优值。 

  研究成果,Chemistry ViewsTitania: Black is the New White为题做了新闻专题报道(见链接),被认为在新能源(太阳能发电、光催化制氢)和环境(污染物降解、抗菌消毒)领域的应用前景广阔。国际公司与大学已经购买小批量样品,用于环境保护应用。部分研究结果发表在,J. Am. Chem. Soc. (2013), Adv. Funct. Mater. (2013), Energy Environ. Sci. (2013, 2014), Chem. Euro. J. (2013)等期刊,已申请发明专利3项。 

  1、氢等离子体还原二氧化钛、吸收光谱、PECAFM 2013 

   

  2、低温铝还原法制备纳米黑钛及其热力学分析(EES 2013 

       

  3、黑色硫掺杂金红石相二氧化钛制备示意图、吸收光谱和光电转换(JACS 2013 

       

  4、两步法实现黑色二氧化钛的非金属掺杂(EES 2014 

   

  黑钛文章和Wiley报道链接如下: 

  1.  C. Yang, Z. Wang, T. Lin, H. Yin, X. Lv, D. Wan, T. Xu, C. Zheng, J. Lin, F. Huang*, X. Xie, M. Jiang. Core-shell nanostructured “black” rutile titania as excellent catalyst for hydrogen production enhanced by sulfur doping. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 17831. 
    http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja4076748. 
  2. Z. Wang, C. Yang, T. Lin, H. Yin, P. Chen, D. Wan, F. Xu, F. Huang*, J. Lin, X. Xie, M. Jiang. Visible-light photocatalytic, solar thermal and photoelectrochemical properties of aluminium-reduced black titania. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 3007. 
    http://pubs.rsc.org/EN/content/articlehtml/2013/ee/c3ee41817k. 
  3. T. Lin, C. Yang, Z. Wang, H. Yin, X. Lu, F. Huang*, J. Lin, X. Xie, M. Jiang. Effective nonmetal incorporation in black titania with enhanced solar energy utilization. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 967.  
    http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2013/ee/c3ee42708k. 
  4. Z. Wang, C. Yang, T. Lin, H. Yin, P. Chen, D. Wan, F. Xu, F. Huang*, J. Lin, X. Xie, M. Jiang. H-doped black titania with very high solar absorption and excellent photocatalysis enhanced by localized surface plasma resonance. Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 5444. 
    http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201300486/full. 
  5. H. Yin, T. Lin, C. Yang, Z. Wang, G. Zhu, T. Xu, X. Xie, Fuqiang Huang*, M. Jiang. Gray TiO2 nanowires synthesized by aluminium reduction and excellent photocatalysis for water cleaning. Chem.-Eur. J. 2013, 19, 13313. 
    http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/chem.201302286/full. 
  6. G. Zhu, T. Lin, X. Lü, W. Zhao, C. Yang, Z. Wang, H. Yin, Z. Liu, F. Huang*, J. Lin. Black brookite titania with high solar absorption and excellent photocatalytic performance. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 9650. 
    http://pubs.rsc.org/EN/content/articlehtml/2013/ta/c3ta11782k. 
  7. H. Cui , W. Zhao , C. Yang , H. Yin , T. Lin , Y. Shan , Y. Xie , H. Gu, F. Huang*. Black TiO2 nanotube arrays for high-efficiency photoelectrochemical water-splitting. J. Mater. Chem. A 2014 10.1039/C4TA00176A. http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/ta/c4ta00176a 
  8. Titania: Black is the New White, Wiley, ChemistryViews, 2013.
    http://www.chemistryviews.org/details/news/5025671/Titania_Black_is_the_New_White.html.
     
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